Ứng dụng quy hoạch genetic cho phân bố tối ưu công suất lưới điện có facts

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Khoá Năm trúng tuyển : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG QUY HOẠCH GENETIC CHO PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT LƯỚI ĐIỆN CÓ FACTS 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: ƒ Khảo sát các m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGÔ HOÀNG TUẤN

ỨNG DỤNG QUY HOẠCH GENETIC CHO PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT

LƯỚI ĐIỆN CÓ FACTS

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ NGÀNH : 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG QUY HOẠCH GENETIC CHO PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT LƯỚI ĐIỆN CÓ FACTS 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

ƒ Khảo sát các mô hình toán học của các bộ điều khiển FACTS vào tính toán phân bố công suất trên lưới điện

ƒ Tìm hiểu nguyên lý, phương pháp thuật toán di truyền vào giải quyết bài toán tối ưu

ƒ Xây dựng bài toán tính phân bố công suất tối ưu cho lưới điện có và không có FACTS

áp dụng thuật toán di truyền

ƒ Áp dụng tính toán phân bố công suất tối ưu cho mạng điện IEEE mẫu khi có và không

có bộ điều khiển FACTS

ƒ Sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB viết phần mềm ứng dụng để giải bài toán trên

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VŨ PHAN TÚ

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo Khoa

Điện – Điện Tử, trường Đại Học Bách Khoa Thành phố

Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu

trong suốt những năm tháng học tại trường

Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình

đến TS Vũ Phan Tú, người thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ

tôi trong suốt thời gian vừa qua

Con xin cám ơn Ba mẹ đã che chở, luôn tạo điều kiện

tốt nhất cho con, động viên, khích lệ con vượt qua những khó

khăn, thử thách

Xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp tại trường Cao Đẳng

Điện Lực TP.Hồ Chí Minh đã chia sẻ, giúp đỡ tôi thực hiện

luận văn này

Ngô Hoàng Tuấn

AC Alternative Current

MỞ ĐẦU

Năng lượng là một vấn đề thu hút được sự quan tâm của mọi quốc gia trong mọi thời đại Không thể hình dung được sự thiếu vắng của năng lượng trong mọi hoạt động của con người, nhất là trong thời đại ngày nay, khi mà khoa học kỹ thuật đã đạt được một trình độ cao để con người từng bước chinh phục thiên nhiên và làm chủ được cuộc sống của mình

Việc sản suất và tiêu thụ năng lượng ngày một phát triển, nó

có tác động qua lại tới nhiều vấn đề lớn của xã hội như phát triển kinh tế, dân số và chất lượng cuộc sống, trình độ công nghệ và mức

độ công nghiệp hoá, môi trường sinh thái, các chế độ chính sách của nhà nước đối với vấn đề năng lượng v.v Hệ thống năng lượng ngày càng phức tạp về quy mô và trình độ, đòi hỏi người cung cấp, vận hành phải luôn đáp ứng kịp thời, ổn định và liên tục cho phụ tải với chất lượng điện năng cho phép nhưng cũng phải thoả mãn các điều kiện vận hành kinh tế

Những đòi hỏi nêu trên dẫn tới việc phải giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật trong quy hoạch, phát triển và vận hành hệ thống điện, trong đó bài toán vận hành tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện là rất quan trọng

Khác với các nghiên cứu trước đây luận văn này trình bày ứng dụng quy hoạch genetic cho phân bố tối ưu công suất lưới điện có FACTS Việc ứng dụng giải thuật di truyền vào tính toán tối ưu hoá trong hệ thống điện ở các nước phát triển đã được nghiên cứu nhiều,

từ đó cho thấy đây là phương pháp thích hợp để giải bài toán đã nêu trên Dựa vào kết quả đạt được, trong luận văn này còn trình bày bài toán xác định vị trí tối ưu đặt thiết bị FACTS trên lưới điện

CHƯƠNG 1 1  

1.1.  TỔNG QUAN 1 

1.2.  TÓM TẮT MỘT SỐ TÀI LIỆU VÀ BÀI BÁO LIÊN QUAN 2 

1.3.  NHẬN XÉT CHUNG VÀ HƯỚNG TIẾP CẬN 6 

1.4.  NGUYÊN NHÂN DÙNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TRONG LUẬN VĂN 7 

1.5.  MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 7 

1.6.  ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI 8 

1.7.  KẾT QUẢ THỰC TẾ ĐẠT ĐƯỢC 8 

CHƯƠNG 2 9  

2.1.  GIỚI THIỆU 9 

2.2.  CÁC THIẾT BỊ FACTS SỬ DỤNG THYRISTOR 11 

2.2.1.  THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC (Static VAR Compensator)   12 

2.2.2.  BỘ ĐIỀU KHIỂN TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator)   14 

2.2.3.  THIẾT BỊ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH STATCOM (Static Synchronous Compensator) 

     18 

2.2.4.  BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VẠN NĂNG UPFC (Unified Power Flow Controller):   20 

2.3.  LÝ THUYẾT PHÂN BỐ CÔNG SUẤT LƯỚI ĐIỆN CÓ FACTS 22 

2.3.1.  CÁCH GIẢI LUỒNG CÔNG SUẤT CÓ BỘ ĐIỀU KHIỂN FACTS   23 

2.3.2.  BỘ BÙ VAR TĨNH (SVC)   25 

2.3.3.  THIẾT BỊ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH (STATCOM)   30 

2.3.4.  THIẾT BỊ BÙ DỌC TCSC   33 

2.3.5.  THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT VẠN NĂNG UPFC   36 

2.4.  KẾT LUẬN 42 

CHƯƠNG 3 43  

3.1.  MỞ ĐẦU 44 

3.2.  TƯƠNG QUAN GIỮA THUẬT TOÁN GEN VÀ QUÁ TRÌNH TIẾN HÓA CỦA SINH VẬT 45 

3.3.  THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 45 

3.3.1.  CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA THUẬT TOÁN DI TRUYỀN   46 

3.3.2.  CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA THUẬT TOÁN DI TRUYỀN   48 

3.3.5.  ĐIỀU CHỈNH ĐỘ PHÙ HỢP (FITNESS SCALING)   53 

3.3.6.  TIÊU CHUẨN NGỪNG LẶP   55 

3.4.  CÁC TOÁN TỬ DI TRUYỀN 56 

3.4.1.  CHỌN LỌC CÁ THỂ (SELECTION)   56 

3.4.2.  LAI TẠO   59 

3.4.3.  ĐỘT BIẾN   61 

3.5.  CÁC TOÁN TỬ CAO CẤP 62 

3.5.1.  LAI NHIỀU ĐIỂM   62 

3.5.2.  CHIẾN LƯỢC LƯU GIỮ CÁ THỂ TỐT NHẤT (ELITISM)   63 

3.5.3.  CHIẾN LƯỢC LEO DỐC (HILL CLIMBING)   63 

3.5.4.  TOÁN TỬ TRAO ĐỔI GEN (GENE SWAP OPERATOR)   64 

3.5.5.  TOÁN TỬ TRAO ĐỔI GEN KIỂU LAI (GENE CROSS – SWAP OPERATOR)   64 

3.5.6.  TOÁN TỬ SAO CHÉP GEN (GENE COPY OPERATOR)   64 

3.5.7.  TOÁN TỬ NGHỊCH ĐẢO GEN (GEN INVERSE OPERATOR)   65 

3.5.8.  TOÁN TỬ CỰC TRỊ GEN (GEN MAX - MIN OPERATOR)   65 

3.5.9.  THUẬT TOÁN DI TRUYỀN VỚI NHIỀU QUẦN THỂ NHỎ   66 

3.6.  THUẬT TOÁN DI TRUYỀN VỚI CƠ CHẾ TỰ THÍCH NGHI 68 

3.6.1.  PHƯƠNG PHÁP LAI TỰ THÍCH NGHI   68 

3.6.2.  PHƯƠNG PHÁP HÀM PHẠT TỰ THÍCH NGHI   69 

3.7.  CÁC ỨNG DỤNG CỦA THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 73 

3.8.  ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 73 

3.9.  KẾT LUẬN 76 

CHƯƠNG 4 77  

4.1.  TỔ CHỨC DỮ LIỆU BÀI TOÁN [26] 78 

4.2.  GIẢI THUẬT ĐỀ NGHỊ 79 

4.3.  PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT LƯỚI ĐIỆN KHÔNG CÓ FACTS 84 

4.3.1.  PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐIỆN 5 NÚT  84 

4.3.2.  PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐIỆN 6 NÚT  90 

4.3.3.  PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG MẠNG IEEE 30 NÚT   96 

4.4.  PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN CÓ FACTS 102 

4.4.1.  PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT MẠNG ĐIỆN 5 NÚT CÓ FACTS   103 

4.4.1.1.  Mạng điện có SVC   103 

4.4.2.  PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT MẠNG ĐIỆN 6 NÚT CÓ FACTS   110 

4.4.2.1.  Mạng điện có SVC   110 

4.4.2.2.  Mạng điện có TCSC   114 

4.4.2.3.  Mạng điện có STATCOM   116 

4.4.3.  PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT MẠNG IEEE 30 NÚT CÓ FACTS   118 

4.4.3.1.  Mạng điện có SVC   118 

4.4.3.2.  Mạng điện có TCSC   121 

4.4.3.3.  Mạng điện có STATCOM   123 

4.5.  KẾT LUẬN 125 

CHƯƠNG 5 126  

5.1.  THÀNH LẬP BÀI TOÁN 127 

5.1.1.  PHƯƠNG PHÁP 1 (MÃ HÓA VỊ TRÍ ĐẶT SVC)   127 

5.1.2.  PHƯƠNG PHÁP 2 (DÒ TÌM VỊ TRÍ ĐẶT SVC)  132 

5.2.  KẾT LUẬN 135 

CHƯƠNG 6 136  

6.1.  TỔNG KẾT ĐỀ TÀI 136 

6.1.1.  TÓM TẮT   136 

6.1.2.  ĐÁNH GIÁ   138 

6.2.  HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 140 

6.3.  LỜI KẾT 141 

có mật độ dân cư cao, ngoài ra việc mở rộng lưới điện còn làm ảnh hưởng đến những

cơ sở hạ tầng điện tồn tại trước đó Do đó việc lắp đặt các thiết bị truyền tải điện linh hoạt lên lưới điện được xem là các giải pháp khả thi nhất cho việc điều khiển các luồng công suất, làm giảm đáng kể việc xây dựng cơ sở hạ tầng điện mới Nói theo một cách khác việc tăng cường khả năng truyền tải của đường dây đòi hỏi sự thay đổi trong cách vận hành là hết sức cần thiết do đó không thể bỏ qua vai trò của các thiết bị truyền tải điện linh hoạt (FACTS – Flexible AC Transmission Systems)

Ngày nay khi công nghệ ngày càng phát triển việc ứng dụng thiết bị FACTS vào trong lưới điện đã giúp các công ty truyền tải và người vận hành tiến thêm một bước trong phương pháp vận hành lưới điện hiệu quả cũng như khả năng đáp ứng nhanh chóng trong trường hợp khẩn cấp xảy ra trên lưới điện

Một trong những nghiên cứu chính về FACTS là trong lĩnh vực phân bố công suất

và vận hành kinh tế hệ thống điện bằng việc tối ưu các hàm mục tiêu đồng thời thoả mãn các ràng buộc cho trước, vấn đề này đã và đang được áp dụng vào việc giám sát

và điều khiển lưới điện từ xa

Thiết bị FACTS có nhiều ưu điểm khi lắp đặt trên lưới điện: làm giảm lượng công suất chạy trên đường dây đang tải nặng, tăng khả năng tải của đường dây trong điều

1.2 TÓM TẮT MỘT SỐ TÀI LIỆU VÀ BÀI BÁO LIÊN QUAN

1 Reactive Power Optimization by Genetic Algorithm (Kenji Iba Mitsubishi Electric Corp., Kobe, Japan IEEE Transactions on Power Systems, Vol 9,

No, 2, May 1994)

Bài báo trình bày nghiên cứu áp dụng giải thuật di truyền trong việc tính toán tối ưu luồng công suất phản kháng Tác giả đã ứng dụng vào mạng điện 51 nút và 224 nút đã cho thấy ưu điểm của giải thuật di truyền so với các phương pháp khác trong bài toán tìm kiếm lời giải toàn cục Tuy nhiên, hạn chế của giải thuật là chậm và phức tạp hơn so với các phương pháp truyền thống

2 A Genetic Algorithm for Solving the Optimal Power Flow Problem (Tarek BOUKTIR, Linda SLIMANI, M BELKACEMI Department of Electrical Engineering, University of Oum El Bouaghi,04000, Algeria)

Bài báo trình bày giải thuật di truyền trong tính tối ưu hóa phân bố công suất trong mạng điện phân phối Hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí nhiên liệu và duy trì công suất phát các nhà máy điện, điện áp nút, tụ điện

và điện kháng bù ngang, đầu phân áp máy biến áp trong giới hạn an ninh Việc tách những ràng buộc tối ưu thành ràng buộc chủ động và ràng buộc bị động làm cho thời gian sử lý máy tính được giảm đi so với trước đây đồng thời cho kết quả tốt hơn Tác giả sử dụng mạng IEEE 30 nút để mô phỏng bài toán

Trang 3

3 Optimal Power Flow with a Versatile FACTS Controller by Genetic Algorithm Approach (H C Leung - T S Chung Department of Electrical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom, Kowloon, Hong Kong)

Bài báo trình bày bài toán tối ưu phân bố công suất trong lưới điện

có FACTS áp dụng giải thuật di truyền Tác giả nghiên cứu giải quyết bài toán lưới điện dùng UPFC, không giống như các thiết bị FACTS khác UPFC có khả năng điều khiển đồng thời cả luồng công suất tác dụng, công suất phản kháng lẫn điện áp Trong nghiên cứu này tác giả kết hợp giải thuật di truyền với bài toán phân bố công suất trong mạng AC để giải ra kết quả là cực tiểu chi phí nhiên liệu các nhà máy điện mà vẫn giữ được luồng công suất trong giới hạn an ninh hệ thống điện Tác giả sử dụng mạng điện IEEE 14 nút để mô phỏng, kết quả đạt được cho thấy tính khả thi và khả năng của phương pháp

4 Representation of FACTS devices in power system economic dispatch Taranto, G.N Pinto, L.M.V.G Pereira, M.V.F Catholic Univ of Rio de

Janeiro; Power Systems, IEEE Transactions on, May 1992, Volume: 7,

Issue: 2, 572-576

Bài báo đề cập tới cách giải luồng công suất trên lưới điện có thiết bị FACTS để loại trừ các luồng công suất không mong muốn Tác giả mô hình hóa thiết bị FACTS trong mạng điện như là thiết bị dịch pha và bù trên đường dây nhằm giải phân bố tối ưu luồng công suất Nghiên cứu dùng thuật toán phân tách (Decomposition) kết hợp với kỹ thuật bù đường dây áp dụng vào mạng điện Brasil

5 Optimal active power flow incorporating power flow control needs inflexible AC transmission systems, Ge, S.Y Chung, T.S Dept of Electr

Trang 4

Eng., Hong Kong Polytech Kowloon; Power Systems, IEEE Transactions

on, May 1999,Volume: 14, Issue: 2738-744

Bài báo trình bày phương pháp giải bài toán phân bố công suất và phân bố tối ưu công suất tác dụng trong lưới điện có FACTS bao gồm 3 loại thiết bị TCSC, TCPS, UPFC Kết quả nghiên cứu đã cho thấy có thể giải bài toán phân bố tối ưu công suất tác dụng bằng cách giải lặp kết hợp với kỹ thuật tính phân bố công suất thông thường vào mạng điện IEEE 30 nút

6 Advanced SVC models for Newton-Raphson load flow and Newton optimalpower flow studies Ambriz-Perez, H Acha, E Fuerte-Esquivel,

C.R Dept of Electron & Electr Eng., Glasgow Univ Power Systems,

IEEE Transactions on, Feb 2000 Volume: 15, Issue: 1, 129-136

Bài báo trình bày mô hình SVC trong bài toán phân bố công suất dùng phương pháp Newton-Raphson và bài toán phân bố tối ưu công suất dùng phương pháp Newton Nghiên cứu đưa ra 2 mô hình SVC là mô hình dẫn nạp song song và mô hình góc kích với biến trạng thái là độ lớn và góc pha điện áp Kết quả cho thấy tính hội tụ mạnh của cả 2 giải thuật khả năng

áp dụng vào mạng điện lớn và có nhiều thiết bị FACTS

7 Optimal reactive power dispatch considering FACTS devices, Preedavichit,

P Srivastava, S.C Electr Power Syst Manage., Asian Inst of Technol.; Advances in Power System Control, Operation and Management, 1997 APSCOM-97 Fourth International Conference on (Conf Publ No 450), 11-14 Nov 1997, Volume: 2, 620-625 vol.2

Bài báo đề cập đến việc đưa thiết bị FACTS (được xem như là một thông số điều khiển) vào mạng điện thông thường để giải bài toán tối ưu công suất phản kháng nhằm cực tiểu tổn thất Thiết bị FACTS đề cập bao gồm: SVC, TCSC, TCPAR và áp dụng vào mạng điện ThaiLand (Electricity Generating Authority of Thailand - EGAT)

Trang 5

8 Optimal Choice and Allocation of FACTS Devices using Genetic Algorithms (L.J Cai, Student Member IEEE and I Erlich, Member IEEE)

Trong bài báo này tác giả trình bày việc nghiên cứu tìm ra vị trí tối

ưu đặt thiết bị FACTS trên lưới điện sử dụng giải thuật di truyền Mục tiêu của bài toán là tối ưu công suất các nhà máy điện và điều độ hệ thống điện Tác giả tiến hành nghiên cứu trên các bộ thiết bị sau: UPFC, TCSC, TCPST

và SVC Kết quả đạt được cho thấy tính thực tiễn và hiệu quả của thuật toán trong bài toán cực tiểu các hàm chi phí phát, chi phí đầu tư thiết bị FACTS trong lưới điện lớn

9 Genetic Algorithm and Fuzzy Logic Based Optimal Location of Facts Device in a Power System Network (Baskaran Jeevarathinam International Journal of Emerging Electric Power Systems Volume 5, Issue 2 2006 Article 7)

Trong bài báo tác giả dùng giải thuật di truyền kết hợp với Logic mờ

để tính toán tối ưu lưới điện có FACTS với các biến thông số xử lý khác nhau bao gồm vị trí, số lượng, loại và giá trị định mức của chúng Tác giả

sử dụng mạng điện IEEE 30 nút với nhiều loại thiết bị FACTS khác nhau Kết quả đạt được so sánh với những phương pháp tìm kiếm khác cho thấy tính hiệu quả của phương pháp và triển vọng của nó trong việc giải quyết bài toán tìm vị trí thiết bị FACTS trên lưới điện

10 Luận văn Thạc Sĩ, Ứng dụng thuật toán di truyền phân bố công suất tối ưu trong Hệ Thống Điện, Phạm Việt Cường, 7 /2003, 700998, Thư viện Đại Học Bách Khoa TPHCM

Luận văn đề cập đến việc ứng dụng giải thuật di truyền vào tính toán tối ưu công suất phát các nhà máy điện và phân bố tối ưu công suất trong lưới điện với hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí phát điện đồng thời thỏa mãn

Trang 6

các ràng buộc về công suất tác dụng và phản kháng, điện áp nút và ứng dụng vào mạng IEEE 30 nút Luận văn chỉ dừng lại ở bài toán phân bố tối

ưu công suất lưới điện không có thiết bị FACTS

1.3 NHẬN XÉT CHUNG VÀ HƯỚNG TIẾP CẬN

Các nghiên cứu của các tác giả nước ngoài trước đây đã trình bày tính toán tối

ưu phân bố công suất trong lưới điện không có và có thiết bị FACTS áp dụng giải thuật Newton, giải thuật di truyền Tác giả các bài báo trên đã nghiên cứu rất kỹ về việc áp dụng giải thuật di truyền vào trong lưới điện và hầu hết đã được mô hình hóa bằng mạng điện IEEE, đồng thời các tác giả trên cũng đã so sánh, phân tích và nêu rõ

ưu điểm cũng như khuyết điểm của giải thuật di truyền với các phương pháp khác

Qua các bài báo trên cho thấy việc ứng dụng tính toán tối ưu luồng công suất áp dụng phương pháp Newton cho tốc độ hội tụ nhanh tuy nhiên kết quả hội tụ lại không tối ưu bằng kết quả tính được bởi các phương pháp tối ưu dùng trí tuệ nhân tạo khác nói chung và giải thuật di truyền nói riêng Các nghiên cứu cho thấy việc áp dụng giải thuật di truyền vào bài toán phân bố tối ưu công suất cho kết quả còn phụ thuộc nhiều vào giải thuật tính toán, lập trình cũng như cách thiết lập thông số cho giải thuật còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và thời gian tính toán

Ở trong nước cũng đã có một số nghiên cứu ứng dụng giải thuật di truyền vào ngành điện nói chung và vào việc tính toán phân bố tối ưu công suất trong hệ thống điện nói riêng (một số bài báo và luận văn Cao học tại trường ĐH Bách Khoa

TpHCM) Tuy nhiên việc áp dụng giải thuật di truyền để tính toán trên lưới điện có

thiết bị FACTS thì chưa được áp dụng

Với những lý do trên trong luận văn này chúng tôi xin được trình bày:

Ứng dụng quy hoạch genetic cho phân bố tối ưu công suất trong lưới điện có FACTS.

¾ Giải thuật di truyền có một lịch sử phát triển khá dài: ra đời từ những năm 1970

và bắt đầu được ứng dụng vào những năm 1980 của thế kỷ trước Do đó, nó đã được kiểm chứng hiệu quả và chấp nhận trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong lĩnh vực Hệ Thống Điện thuật toán này cũng đã được áp dụng phổ biến trên thế giới và tại Việt Nam hiện nay đang được nghiên cứu rộng rãi

¾ GA có những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp truyền thống khác:

9 GA tìm kiếm trong tất cả các không gian bài toán chứ không phải riêng từng điểm

9 Tìm được điểm tối ưu toàn cục, bởi vì việc tính toán dựa trên các cá thể riêng biệt, GA thừa hưởng khả năng tính toán đồng thời

9 GA sử dụng các hàm mục tiêu và hàm tính toán độ phù hợp để trả về trực tiếp kết quả GA thích hợp với những hàm mục tiêu không liên tục, không khả vi tồn tại phổ biến trong hệ thống điện

9 GA ứng dụng lý thuyết xác suất trong cách tìm kiếm, không phải thuật toán tất định

9 GA có khả năng tìm kiếm trong những vùng không gian phức tạp, không chắc chắn để tìm ra lời giải tối ưu toàn cục do đó nó linh hoạt và tốt hơn các phương pháp truyền thống khác

9 Có khả năng giải quyết bài toán với các biến rời rạc chẳng hạn như nấc phân áp máy biến áp

1.5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu giải thuật Newton - Raphson

Nghiên cứu giải thuật Genetic

Trang 8

Giải bài toán phân bố tối ưu công suất trong lưới điện có FACTS, đồng thời tìm

ra vị trí và số lượng tối ưu thiết bị này đặt trên lưới điện

Áp dụng thực tế vào mạng điện 5 nút, IEEE (14, 30 nút)

Có khả năng ứng dụng vào thực tế

1.6 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Trong các bài báo và luận văn trong nước của những tác giả trước đây chủ yếu nghiên cứu về những lĩnh vực sau: phân bố tối ưu công suất các nhà máy điện, phân bố tối ưu công suất thực, công suất phản kháng áp dụng giải thuật di truyền, mạng neural nhân tạo, logic mờ, nhưng chỉ ứng dụng trong lưới điện không sử dụng thiết bị FACTS Khác với các luận văn trước đây, luận văn này có những điểm mới sau:

- Dùng giải thuật di truyền áp dụng vào bài toán phân bố tối

ưu công suất lưới điện có FACTS

- Xác định vị trí tối ưu thiết bị FACTS trên lưới điện

- Với bài toán phân bố tối ưu công suất lưới điện có FACTS cho kết quả hội

tụ như tài liệu [15] và tốt hơn [21]

- Chọn ví trí tối ưu đặt SVC trong mạng điện 6 nút dùng quy hoạch genetic với hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí phát và tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện

và một số việc làm khác Một số giải pháp đã được đưa ra để giải quyết vấn đề này và chúng đòi hỏi số vốn đầu tư khá lớn và khó có thể thu hồi nhanh chóng Các thiết bị hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS là một giải pháp khác cũng hướng tới các vấn đề ở trên

FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt được sử dụng nhằm mục đích truyền tải điện năng một cách hiệu quả và tin cậy Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission Systems) được dùng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của hệ thống đường dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS mang lại những lợi ích cho hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các mạng lưới truyền tải hiện có; tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới, tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng điện năng cao; đồng thời chúng cũng có các lợi ích về môi trường khác.Trong chương này chúng tôi đề cập đến khái niệm và ứng dụng phổ biến nhất của các thiết bị FACTS cũng như nêu ra các lợi ích của chúng đồng thời cũng đưa ra mô hình của chúng áp dụng vào bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện

Việc ứng dụng các thiết bị FACTS vào trong hệ thống truyền tải điện đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng một cách hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm các dao động hệ thống Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế giới với rất nhiều chủng loại tương ứng với các thông số điều khiển trong hệ thống điện.Việc lựa chọn thiết bị

Trang 10

phụ thuộc mục đích điều khiển, hiện trạng liên kết lưới điện cũng như các chi phí đầu

tư xây dựng và lợi ích về kinh tế mà các thiết bị FACTS mang lại

Hình 2.1:Sơ đồ hệ thống điện có dùng thiết bị FACTS

Nhu cầu về quản lý hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới trong công nghệ sản xuất và truyền tải điện năng Nhà máy điện chu trình hỗn hợp là một trong các công nghệ cho sự phát triển mới trong lĩnh vực sản xuất điện cũng tương tự như vậy hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS là những thiết bị mới nhằm cải thiện hệ thống truyền tải Như đã nêu trên, các thiết bị FACTS dùng để điều khiển điện

áp, trở kháng và góc pha của hệ thống đường dây xoay chiều cao áp Một số thiết bị FACTS chủ yếu :

a Trong lĩnh vực truyền tải cao áp các thiết bị FACTS phổ biến nhất là:

• STATCOM ( The Static Synchronous Compensator) : Hệ thống bù đồng bộ tĩnh

• UPFC ( Unified Power Flow Controller) : Bộ điều khiển luồng công suất hợp nhất

• SVC ( Static VAR Compensator) : bộ bù công suất VAR tĩnh

• TCSC( Thyristor Controlled Series Compensator) : Thiết bị bù dọc sử dụng thyristor

b Trong lĩnh vực cung cấp điện các thiết bị FACTS thường được dùng là:

• Distribution STATCOM: Bộ STATCOM phân phối

2.2 CÁC THIẾT BỊ FACTS SỬ DỤNG THYRISTOR

Các thiết bị điện tử công suất dùng thyristor đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền tải công suất từ đầu những năm 1970 (Arrillagar, 1998) Ứng dụng đầu tiên của chúng là trong lĩnh vực truyền tải điện một chiều điện áp cao,bù ngang sử dụng các điện kháng và điện dung điều khiển tức thời Gần đây các thiết bị bù dọc tác động nhanh sử dụng thyristor đã được sử dụng để làm thay đổi độ dài điện của các đường dây truyền tải điện chủ chốt Các thiết bị này đã thay thế cho các thiết bị bù dọc cổ điển vốn được điều khiển bằng cơ Ở phạm vi ứng dụng trong hệ thống phân phối điện, các bộ chuyển mạch bán dẫn sử dụng thyristor được sử dụng để làm tăng độ tin cậy cung cấp cho các tải khách hàng quan trọng Trong phần này chúng tôi xin được giới thiệu 4 thiết bị điều khiển thông dụng sử dụng thyristor là : SVC, TCSC, STATCOM, UPFC

Hình 2.2: Tủ thyristor điều khiển (Tham khảo ABB)

Trang 12

2.2.1 THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC (Static VAR Compensator)

SVC là thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng từ lâu để cải thiện tính kinh tế của các đường dây truyền tải bằng cách giải quyết vấn đề về điện áp Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh nên các thiết bị SVC có thể đạt được trạng thái ổn định và điều khiển điện áp có chất lượng cao hơn so với cách bù ngang thông thường Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các giao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn thất hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng Ở hình thái đơn giản nhất thì thiết

bị SVC bao gồm một bộ TCR được mắc song song với một dãy các tụ điện SVC giống như một bộ kháng mắc song song có giá trị thay đổi để phát hay thu công suất phản kháng nhằm điều chỉnh giá trị điện áp tại điểm kết nối với hệ thống AC SVC thường được sử dụng rộng rãi để cung cấp nhanh chóng công suất phản kháng và điều khiển điện áp Điều chỉnh góc kích của các thyristor làm cho SVC có khả năng đáp ứng hầu như là tức thời

Sơ đồ kết nối của SVC thể hiện ở hình vẽ bên dưới trong đó máy biến áp

3 pha 3 cuộn dây được sử dụng để kết nối hệ thống SVC tới thanh cái cao áp Máy biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau: một cuộn sử dụng cho TCR 6 xung được kết nối tam giác và cuộn còn lại dùng cho dãy tụ 3 pha nối sao

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối SVC

23

23

để có thể sử dụng với mục đích nghiên cứu thì ta sử dụng thành phần thứ tự thuận:

( ) 1 ( ) 1

Hình 2.4: : Trạm SVC 250 MVAr (Tham khảo ABB)

2.2.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator)

TCSC (Bộ bù dọc điều khiển bằng Thyristor) là thiết bị được cải tiến từ các tụ bụ dọc truyền thống bằng cách thêm một bộ phận phản ứng được điều khiển bằng Thyristor Đặt một bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù dọc thay đổi liên tục và nhanh chóng Những lợi ích chủ yếu của TCSC là tăng công suất truyền tải, giảm các dao động công suất, giảm các cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất đường dây TCSC cũng tăng tính ổn định của hệ thống và đã chứng thực rất hiệu quả trong việc ngăn chặn các dao động hệ thống Nói cách khác, sự đáp ứng ổn định của TCSC có thể được tính toán bằng cách giải các phương trình

Trang 15

khác nhau mô tả trạng thái dẫn điện của nó thông qua việc sử dụng phương pháp tích phân số học thích hợp Các phương trình khác nhau của TCSC được biểu diễn ở dạng đại số và sau đó dùng một phương pháp pha (phasor) để giải Phương pháp trên đòi hỏi tính tích phân các đẳng thức khác nhau nhiều lần cho đến khi kết quả ở bước tính có thể chấp nhận được Ngoài ra có 2 phương pháp

có được từ phương pháp pha Phương pháp thứ nhất: trạng thái vận hành ổn định của TCSC có thể được tính toán bằng cách dùng phương pháp pha tần số

cơ bản và họa tần (Acha và Madrigal,2001) Phương pháp này cung cấp đầy đủ các thông số TCSC ở tần số cơ bản và họa tần nhưng không có các thông số quá

độ Phương pháp thứ hai: Tìm ra biểu thức tổng trở phi tuyến tương đương TCSC và tổng trở này tính được bằng cách giải lặp (Fuerte - Esquival, Acha, and Ambriz- Pérez, 2000a) Phương pháp giải này cho kết quả chính xác và hội

tụ rất nhanh, nhưng nó chỉ áp dụng ở trạng thái ổn định với tần số cơ bản của lưới điện Phương pháp này được ứng dụng trong việc nghiên cứu luồng công suất là 1 trong những vấn đề chủ yếu của đề tài này

Mạch tương đương TCSC:

Bộ TCSC về cơ bản gồm một TCR mắc nối tiếp với một tụ điện cố định Trong một bộ TCSC thực tế có thể bao gồm một hay nhiều module TCSC

Hình 2.5: Cấu trúc vật lý của 1 pha TCSC

Bộ TCR khi đạt được trạng thái vận hành tại tần số cơ bản sẽ tiêu thụ các dòng hài là nhờ vào chức năng góc kích của thyristor Do đó, trái ngược với thiết bị SVC ở chỗ là các dòng hài được tạo ra bởi các TCR của SVC có khuynh hướng đi về phía hệ thống thì trong TCSC, các dòng hài tạo bởi bộ TCR sẽ bị giữ lại bên trong bộ TCSC

do tụ điện song song có tổng trở thấp hơn so với tổng trở tương đương của hệ thống, đây chính là trường hợp vận hành của bộ TCSC được thiết kế chuẩn vận hành ở chế độ

Hình 2.6: Mạch điện tươmg đương TCSC

Như đã nêu ở trên ta sẽ sử dụng phương pháp mô hình hoá TCSC như là một tổng trở nối tiếp được mắc trên đường dây truyền tải có gắn thiết bị này Ta thấy trong mạch điện thay thế của bộ TCSC có một điện kháng tương đương, tương ứng là một hàm theo tín hiệu kích thyristor TCSC sử dụng trong hệ thống truyền tải được mô hình hoá bằng một tổng dẫn nối tiếp làm giảm đi giá trị điện kháng trên đường dây Chính tác dụng này đã làm cho TCSC có khả năng làm cho việc truyền tải công suất trở nên hiệu quả hơn Dưới đây là mạch tương đương của đường dây truyền tải có dùng bộ TCSC:

Hình 2.7: Sơ đồ thay thế TCSC trên đường dây

1 2 sin

U U P

Trang 17

Hình 2.8: Đường đặc tính ổn định P theo δ

Hình bên trái là trường hợp không dùng TCSC và hình bên phải có dùng TCSC

cố (2) và sau sự cố (3) sẽ được nâng cao hơn Khi 2 đường đặc tính này được nâng cao lên thì diện tích tăng tốc A1 giảm xuống và diện tích tăng tốc A2 tăng lên như vậy độ

dự trữ ổn định động cũng tăng lên

Tụ bù nối tiếp còn có khả năng bù lại sự giảm áp do điện cảm nối tiếp trên đường dây truyền tải gây ra Khi tải nhỏ, tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ và tại thời điểm này điện áp bù nối tiếp do tụ bù dọc sinh ra cũng nhỏ (vì công suất phản

tăng cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn, nhưng lúc này điện áp thanh cái vẫn không bị sụt giảm mạnh do xuất hiện lượng công suất phản kháng của tụ bù dọc tỉ lệ thuận với bình phương dòng điện

Trang 18

Hình 2.9: Trạm TCSC thực tế (Tham khảo: ABB)

2.2.3 THIẾT BỊ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH STATCOM (Static Synchronous

Compensator)

Là thiết bị điều khiển giống với SVC nhưng dựa trên GTO (thyristor kiểu cực cổng đóng Gate Turn-Off) So với SVC thông thường thì STATCOM không yêu cầu các thành phần dung kháng và cảm kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp, như vậy yêu cầu về diện tích lắp đặt cũng nhỏ hơn Một lợi thế khác là đầu ra STATCOM phản ứng tốt hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi mà STATCOM được xem như một nguồn độc lập với điện áp hệ thống STATCOM bao gồm một bộ biến đổi nguồn áp VSC

và một máy biến áp được kết nối song song kết hợp Là thiết bị có chức năng tương đương như một máy bù đồng bộ tĩnh nhưng nó có thể phát ra hay thu về công suất phản kháng ở mức độ cao và nhanh hơn Nói chung nó thực hiện chức năng điều chỉnh điện áp giống như SVC nhưng ở cách thức mạnh hơn vì không giống như SVC, sự vận hành của nó không bị ảnh hưởng bởi điện áp thấp

Trang 19

Hình 2.10: Bộ bù tĩnh (STATCOM): bộ biến đổi nguồn áp được kết nối tới hệ thống

AC qua một máy biến áp song song, hình bên dưới là nguồn áp song song tương đương

Ở hình vẽ trên mạch tương đương STATCOM tương ứng với biến đổi

nghiên cứu STATCOM ở trạng thái vận hành ổn định với tần số cơ bản, STATCOM được mô tả giống như một máy bù đồng bộ, trong đa số trường hợp

là mô hình máy phát đồng bộ nhưng không phát ra công suất tác dụng Một mô hình khác thích hợp hơn khi mô tả STATCOM là xem như nó như một nguồn

sử dụng một thuật toán lặp phù hợp để xác định được độ lớn điện áp tại điểm kết nối với hệ thống AC Nguồn áp song song của thiết bị STATCOM 3 pha có thể mô tả như sau:

Trang 20

( ) ( ) ( ) ( )

2.112.122.13

Hình 2.11: Trạm STATCOM thực tế (Tham khảo ABB)

2.2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VẠN NĂNG UPFC (Unified Power

Flow Controller):

UPFC là một thiết bị FACTS mạnh nhất và linh hoạt nhất do khả năng điều chỉnh của nó đối với các thành phần tổng dẫn đường dây, điện áp nút và góc pha điện áp Một phần kết nối như một thiết bị STATCOM; và được nối mạch rẽ với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải qua mạch DC của nó tạo thành UPFC Thiết bị này giống như một máy biến áp dịch pha nhưng được gắn một điện áp nối tiếp có góc pha yêu cầu thay vì một điện áp có góc pha cố định UPFC kết hợp ưu điểm của STATCOM và TCSC Nó gồm hai bộ VSC kết nối với một bộ tụ dùng chung cho 2 bộ trong mạch DC tạo thành một hệ thống điều khiển hợp nhất UPFC cho phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòng công suất phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái kết nối

Trang 21

Hình 2.12: Hệ thống UPFC: 2 bộ biến đổi nguồn áp back to back, một bộ VSC nối với

hệ thống AC sử dụng một máy biến áp kết nối song song và bộ còn lại sử dụng máy

biến áp kết nối nối tiếp Mô hình mạch điện tương đương

Bộ biến đổi nối tiếp đòi hỏi công suất tác dụng được rút về bởi bộ biến

đổi song song từ hệ thống AC cung cấp cho thanh cái m thông qua mạch kết nối

nói cách khác là từ thanh cái k để tăng áp tại thanh cái m Điện áp ngõ ra VcR để

cung cấp công suất thực trao đổi giữa bộ biến đổi nối tiếp và hệ thống điện AC,

bộ biến đổi song song có thể phát ra hay thu vào công suất phản kháng để cung cấp độ lớn điện áp độc lập tại thanh cái kết nối với hệ thống AC

Từ mạch tương đương của UPFC ở trên hình ta thấy nó bao gồm nguồn

áp được kết nối song song, một nguồn áp được nối nối tiếp và một phương trình ràng buộc công suất tác dụng liên kết 2 nguồn áp Hai nguồn áp được kết nối với hệ thống AC thông qua các điện kháng biểu diễn của bộ biến đổi VSC Trong một thiết bị UPFC 3 pha các biểu thức thích hợp cho hai nguồn áp và đẳng thức bắt buộc là:

E vRρ =V vRρ(cosδvRρ + jsinδvRρ) (2.15)

E cRρ =V cRρ(cosδcRρ + jsinδcRρ) (2.16)

Dựa trên mạch tương đương của UPFC và các tham số 3 pha ta có:

2.3 LÝ THUYẾT PHÂN BỐ CÔNG SUẤT LƯỚI ĐIỆN CÓ FACTS

Các bộ điều khiển FACTS đã rút ngắn khoảng cách giữa kiểu vận hành hệ thống điện có sử dụng bộ điều khiển và không sử dụng bộ điều khiển bằng cách cung cấp thêm bậc tự do để điều khiển các luồng công suất và điện áp ở các vị trí then chốt của hệ thống (Hingorani and Gyugyi, 2000) Các mục tiêu chính là: tăng khả năng truyền tải cho phép các đường dây để chúng có thể truyền tải an toàn đến giới hạn khả năng chịu nhiệt của chúng; cho phép sử dụng hiệu quả hơn các nhà máy điện sẵn có và ngăn chặn các sự thiếu điện do việc mở rộng đến các khu vực rộng hơn (Song and Jonhs, 1999) Để xác định hiệu quả của các bộ điều khiển này trong việc mở rộng hệ thống sẵn có, cần thiết phải nâng cấp các công cụ phân tích mà các kỹ sư hệ thống điện dùng để lên kế hoạch và vận hành hệ thống của họ (IEEE/CIGRÉ, 1995) Với mục đích đánh giá độ ổn định của hệ thống các giải pháp luồng công suất được các kỹ sư lập kế hoạch và kỹ sư vận hành sử dụng như phương pháp giải phổ biến nhất trong các phương pháp giải sử dụng máy tính Giải pháp tin cậy cho các luồng công suất trong các hệ thống truyền tải và phân phối thực tế không phải là một vấn đề đơn giản và qua nhiều năm do các yêu cầu thực tế nhiều phương pháp giải đã được tìm ra để giải quyết vấn đề này Trong số đó, các phương pháp giải sử dụng phép lặp Newton-Raphson với các đặc điểm hội tụ mạnh đã được chứng minh là hiệu quả nhất và đã được sử dụng trong công nghiệp (Tinney and Hart, 1967)

Mục đích của phần này là giới thiệu một cách có hệ thống và chặt chẽ các mô hình và các phương pháp mô tả các bộ điều khiển FACTS trong việc tính toán các luồng công suất

Trang 23

2.3.1 CÁCH GIẢI LUỒNG CÔNG SUẤT CÓ BỘ ĐIỀU KHIỂN FACTS

Các giải pháp kỹ thuật với các cách giải thông minh và uyển chuyển đã được đưa vào sử dụng cho các mô hình của các hệ thống điện có thể điều khiển được bằng thuật toán Newton-Raphson cho các luồng công suất; các máy biến

áp thay đổi đầu phân áp và các bộ dịch pha Các phương pháp mô hình hóa được sử dụng để mô tả các thiết bị trên lưới điện được chia thành 2 loại chính gọi là phương pháp tuần tự và phương pháp đồng thời Phương pháp thứ nhất tuân theo các bước thực hiện dễ dàng hơn của thuật toán Newton-Raphson Tuy nhiên nhược điểm chính của nó là độ lớn điện áp và góc pha điện áp của các thanh cái chỉ là các biến trạng thái được tính toán bằng kiểu Newton thực và việc cập nhật các biến trạng thái của các thiết bị điều khiển tại cuối mỗi thao tác

là một phép tính gần đúng không đạt được sự hội tụ bậc hai Phương pháp thứ hai là phép tính gần đúng hợp nhất kết hợp các biến trạng thái mô tả các thiết bị điều khiển mà với sự mô tả đó hệ thống ở trong một hệ quy chiếu đơn cho cách giải hợp nhất sử dụng thuật toán Newton – Raphson (Ambriz – Pérez, Acha, and Fuerte – Esquivel, 2000; Fuerte – Esquivel and Acha, 1996, 1997; Fuerte – Esquivel, Acha, and Ambriz – Pérez, 2000a, 2000b, 2000c; Fuerte – Esquivel et al., 1998) Phương pháp này giữ lại các đặc điểm hội tụ bậc hai của thuật toán Newton

Phép tính gần đúng hợp nhất kết hợp hệ thống AC và các biến trạng thái của các bộ điều khiển hệ thống điện trong một hệ đơn nhất của các phương trình:

khiển công suất Ở đây có sự tăng lên về chiều của ma trận Jacobi so với trường hợp không có các bộ điều khiển hệ thống điện tương ứng với số lượng và loại

bộ điều khiển Cấu trúc của ma trận Jacobi mở rộng được mô tả ở hình vẽ 2.14

Việc xây dựng dựa trên các nguyên tắc cơ bản khi vận hành ở trạng thái

ổn định và mô hình hóa các bộ điều khiển FACTS đã được trình bày ở phía trên

và lý thuyết luồng công suất Các bộ điều khiển FACTS được sử dụng trong chương này là :

Trang 24

• Bộ bù VAR tĩnh SVC

• Các thiết bị bù tĩnh STACOM

• Thiết bị bù dọc TCSC

• Thiết bị bù công suất vạn năng UPFC

Hình 2.13: Ma trận Jacobi mở rộng khi có bộ điều khiển bị FACTS

Phân loại thanh cái trong bài toán phân bố công suất có FACTS:

• Nút tải PQ: là nút mà không có máy phát được nối tới nó Do đó, các biến điều

suất tác dụng mà nút này thu về xem như là được biết trước Với loại nút này thì công suất tác dụng và công suất phản kháng được xác định trước còn độ lớn và góc pha điện áp được tính toán

• Nút nguồn PV: là nút có nguồn kết nối với nó, tại đó độ lớn điện áp nút V được duy trì ở một giá trị cố định thông qua việc điều chỉnh dòng kích từ của máy phát và từ đó nó sẽ phát ra hay thu vào công suất phản kháng theo yêu cầu của

vận hành ở chế độ điện áp không đổi chỉ có thể thực hiện được trừ khi các giới hạn thiết kế về công suất phản kháng của máy phát không bị vi phạm, tức là

QGmin < QG < QGmax

• Nút máy phát PQ: nếu máy phát không thể cung cấp nguồn công suất phản kháng để buộc giá trị điện áp luôn ở giá trị cố định thì công suất phản kháng sẽ

Trang 25

được đặt ở giới hạn vi phạm và độ lớn điện áp lúc này tự do Trong trường hợp

trước và các biến số độ lớn điện áp V và góc pha điện áp θ phải được tính toán

• Nút nguồn cân bằng (slack bus): một trong số các thanh cái nguồn được lựa

công suất tác dụng ở tất cả các nút được Nhìn chung nút nguồn cân bằng có nguồn công suất lớn nhất Ở nút này công suất tác dụng của nó sẽ không được xác định trước mà sẽ được tính ở cuối quá trình Chỉ có một nút nguồn cân bằng trong hệ thống điện và chức năng của máy phát nguồn cân bằng là sản xuất ra một nguồn công suất ổn định để cung cấp cho bất cứ tải hệ thống nào không thỏa mãn yêu cầu công suất hay cho việc bù tổn thất công suất Góc pha điện áp tại nút cân bằng θslack được chọn ở một giá trị khác biệt với tất cả các giá trị góc pha điện áp khác của các thanh cái trong hệ thống và thông thường được chọn ở giá trị 0˚

2.3.2 BỘ BÙ VAR TĨNH (SVC)

Phần này sẽ trình bày mô hình thường dùng của các bộ SVC là mô hình điện nạp song song biến đổi sử dụng trong phân bố công suất Các biến trạng thái của SVC sẽ kết hợp với độ lớn và góc pha điện áp nút điều chỉnh sử dụng phương pháp lặp Newton-Raphson

Trang 26

2.3.2.1 Các mô hình luồng công suất tiêu chuẩn

Trước đây, các mô hình SVC dùng cho việc phân tích luồng công suất đã xem SVC như là một máy phát kết nối phía sau một cảm kháng (Enrinmez, 1986; IEEE SSCWG, 1995) Giá trị cảm kháng giải thích đặc tuyến điều chỉnh điện áp của SVC Để đơn giản hơn người ta cho rằng độ dốc của SVC bằng 0; điều này có thể chấp nhận được khi SVC vận hành trong các giới hạn thiết kế của nó nhưng có điều sẽ dẫn đến sai số lớn nếu như SVC vận hành gần bằng với giới hạn của nó (Kundur, 1994) Điểm này được thể hiện ở hình vẽ 2.14 nghiên cứu đặc tuyến bên trên khi hệ thống đang vận hành dưới điều kiện tải thấp Nếu

độ dốc là 0 thì máy phát sẽ vi phạm giới hạn của nó tại điểm A X SL=0 Tuy nhiên, máy phát sẽ vận hành tốt trong giới hạn cho phép nếu độ dốc đường đặc tính dòng và áp của SVC như là đường giao nhau với đường đặc tuyến tải tại điểm

ở hình 2.15(b)

Trang 27

Hình 2.15: Mô hình SVC trong phân tích luồng công suất (a) cuộn cảm (b) cuộn cảm

và máy biến áp (Tham khảo [15])

Mô hình biểu diễn SVC khá dễ hiểu nhưng chúng lại không đúng khi SVC hoạt động ở bên ngoài các giới hạn Trong trường hợp này cần phải biễu diễn SVC thành ra mô hình điện nạp phản kháng cố định cho bởi:

lim 2

SVC

SVC

Q B

V

= −

(2.20)

Trong đó VSVC là điện áp tự do khi công suất phản kháng giới hạn Qlim bị

vi phạm Việc diễn tả máy phát kết hợp điện nạp đã đạt được các kết quả chính xác Tuy nhiên bất lợi của việc diễn tả này là cả hai mô hình đó sử dụng số lượng thanh cái khác nhau Mô hình máy phát dùng 2 hay 3 thanh cái như ở hình 2.15 trong khi đó mô hình điện nạp chỉ sử dụng một thanh cái Trong cách giải phân bố công suất bằng phương pháp Newton-Raphson thì sự khác nhau về

số lượng thanh cái như vậy đòi hỏi diễn tả thành phần hệ thống giống nhau dẫn tới việc phải thay đổi và xác định lại số chiều của ma trận Jacobi trong suốt quá trình giải lặp Cũng vậy, việc kiểm tra lại là rất cần thiết để chứng minh SVC có chuyển về hoạt động trong các giới hạn tại bất cứ giai đoạn nào của quá trình lặp hay không? Chú ý rằng sự hoạt động bên ngoài các giới hạn của SVC sẽ phải được mô tả như một điện nạp chứ không phải như là một máy phát hoạt

không chính xác Lý do là bởi vì lượng công suất phản kháng thu về bởi SVC là kết quả của điện nạp cố định Bfix và độ lớn điện áp nút Vk Do Vk là một hàm của các điều kiện vận hành của hệ thống cho nên lượng công suất phản kháng thu về bởi mô hình điện nạp cố định sẽ khác với lượng công suất phản kháng thu về bởi mô hình máy phát

Độ lớn điện áp nút nằm trong khoảng 0,95-1,05 (p.u.) Giá trị điện nạp, khi chọn công suất cơ bản 100MVA, là 1(p.u.)

Hình 2.16: Tương quan giữa mô hình máy phát và mô hình điện nạp

2.3.2.2 Mô hình tổng dẫn song song thay đổi

Trên thực tế SVC được mô tả như một điện kháng điều chỉnh được bằng các giới hạn góc kích hay các giới hạn điện kháng (Ambriz-Pérez, Acha, and Fuerte-Esquivel, 2000) Mạch tương đương cho ở hình vẽ 2.17 được dùng để giải các phương trình công suất phi tuyến của SVC và các phương trình tuyến tính hóa theo yêu cầu của phương pháp Newton:

Hình 2.17: Mô hình tổng dẫn song song thay đổi SVC

Từ hình vẽ 2.17 ta có thể rút ra được rằng dòng điện qua SVC cho bởi :

2.3.2.3 Điều khiển độ lớn điện áp nút sử dụng bộ bù tĩnh (SVC)

Thanh cái kết nối SVC là một thanh cái điều khiển điện áp trong đó độ lớn điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng được cho trước và điện

lớn điện áp cho trước sẽ đạt được và thanh cái điều khiển vẫn được xem là

này được điều chỉnh cho phù hợp ở các giới hạn vi phạm và thanh cái sẽ trở thành thanh cái PQ Điều này dĩ nhiên là được đề cập lúc mà không có mặt của các bộ điều khiển khác dùng để điều khiển công suất phản kháng tại thanh cái

đó

Độ chênh lệch công suất phản kháng tại các thanh cái điều khiển được dùng để kiểm tra SVC có vận hành trong các giới hạn hay không, quá trình sử

Trang 30

lý sẽ bắt đầu khi độ sai lệch công suất phản kháng tại thanh cái điều khiển ít

2.3.2.4 Phối hợp điều khiển giữa các nguồn phản kháng :

Việc sử dụng các nguồn công suất phản kháng khác nhau để điều chỉnh

độ lớn điện áp tại thanh cái đòi hỏi sự ưu tiên cho các nguồn công suất để có một tiêu chuẩn điều chỉnh đơn nhất Máy phát đồng bộ thông thường được chọn

để điều chỉnh các thành phần hệ thống với sự ưu tiên cao nhất, giữ lại tất cả các nguồn công suất phản kháng khác ở các giá trị ban đầu của chúng cho đến khi máy phát vẫn còn hoạt động ở trong các giới hạn của nó Nếu tất cả các máy phát kết nối với thanh cái đều vi phạm các giới hạn về công suất phản kháng của chúng thì các nguồn công suất phản kháng khác sẽ được kích hoạt Trong trường hợp này các nguồn công suất phản kháng của các máy phát sẽ được đặt

ở các giới hạn của chúng và thanh cái đó sẽ chuyển từ thanh cái PQ thành thanh cái PVB

2.3.3 THIẾT BỊ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH (STATCOM)

Các đặc tính vận hành của thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM đã được

đề cập tóm tắt ở phần trên Trong phần này với mục đích phân tích luồng công suất thứ tự thuận thì ta có thể mô tả thiết bị STATCOM một cách rõ ràng bằng một nguồn áp đồng bộ với các giới hạn điện áp cực đại và cực tiểu Nguồn áp đồng bộ biểu diễn thành phần chuỗi Fourier cơ bản của dạng sóng điện áp đóng cắt tại đầu cực của bộ biến đổi AC của thiết vị STATCOM (Hingorani and Gyugyi, 2000; Song and Johns, 1999)

Thanh cái mà STATCOM kết nối vào được gọi là thanh cái PVS và nó

có thể chuyển thành thanh cái PQ trong trường hợp các giới hạn bị vi phạm Khác với SVC, STATCOM được biểu diễn như một nguồn áp có mức hoạt động rộng làm cho cơ cấu cung cấp điện áp trở nên mạnh hơn Mạch tương đương STATCOM cho ở hình vẽ 2.18 dưới đây được sử dụng làm mô hình toán học của bộ điều khiển cho giải thuật tính toán phân bố công suất

Trang 31

Hình 2.18: Mạch tương đương bộ STATCOM

2.3.3.1 Mô hình luồng công suất

Các biểu thức phân tích luồng công suất của STATCOM đưa ra phía dưới đây được rút ra từ nguyên lý cơ bản theo mô hình nguồn áp: