Tối ưu hóa vận hành hệ thống điện có xét đến các thiết bị điều chỉnh trong hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt ( tcsc và tcpar )

HTĐ Hệ thống điện IEEE Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử LP Thuật toán tuyến tính MILP Thuật toán tuyến tính nguyên hỗn MINLP Thuật toán phi tuyến nguyên hỗn MINOS Module cơ sở của hệ thống

trường đại học Bách khoa Hà nội

Phương Hoàng Kim

Tối ưu hoá vận hành hệ thống điện có xét đến các thiết bị điều chỉnh trong hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (TCSC và TCPAR)

Luận áN tiến sĩ kỹ thuật

Hà nội – 2008

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO trường đại học Bách khoa Hà nội

Phương Hoàng Kim

Tối ưu hoá vận hành hệ thống điện có xét đến các thiết bị điều chỉnh trong hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (TCSC và TCPAR)

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Để hoàn thành đựợc luận án, ngoài nỗ lực nghiên cứu của bản thân, tác giả đã nhận đựợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ bên ngoài

Tác giả vô cùng biết ơn sự chỉ dẫn, giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn: Phó Giáo sư Tiến sĩ Trần Bách trong suốt quá trình làm luận án Không chỉ tận tình trong vai trò của người hướng dẫn khoa học, Phó Giáo sư đã có những động viên, khích lệ kịp thời để tác giả nỗ lực, tập trung nghiên cứu vượt qua khó khăn trong những thời điểm quyết định nhất của quá trình làm luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sự nhiệt tình giúp đỡ và những góp ý quí báu của Giáo sư Viện sĩ Tiến sĩ Khoa học Trần Đình Long, Giáo sư Tiến sĩ Lã Văn Út - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Tiến sĩ Lê Anh Tuấn - Trường Đại học Công nghệ Chamlmer Thụy Điển, giúp cho tác giả mở rộng hướng nghiên cứu, nâng cao chất lượng của luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn

Tiến sĩ Trần Văn Tớp, Tiến sĩ Đinh Quang Huy cùng toàn thể cán bộ giảng viên của bộ môn Hệ Thống Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vì sự ủng hộ, những góp ý chuyên môn sâu sắc cho tác giả trong thời gian làm luận

án

Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học - Trường Đại

học Bách khoa Hà Nội, các đồng nghiệp trong Vụ Khoa học và Công nghệ, các chuyên gia trong Bộ Công Thương, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã giúp đỡ, tạo điều kiện cung cấp các dữ liệu cần thiết cho nghiên cứu của luận

Mở đầu 1

1 Tính c ấp thiết của luận án 1

2 M ục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

5 K ết cấu của luận án 4

Chương 1- Tổng quan về tối ưu hoá vận hành hệ thống điện và ứng dụng của các thiết bị FACTS 5

1.1 Tổng quan về tối ưu hoá vận hành hệ thống điện 5

1.1.1 Lập kế hoạch vận hành 6

1.1.2 H ệ thống truyền tải mở 8

1.1.3 Mô t ả toán học của bài toán tối ưu hoá thông thường 9

1.2 FACTS và các ứng dụng của FACTS 12

1.2.1 Gi ới thiệu 12

1.2.2 M ối quan hệ của các thông số điều khiển trên đường dây truyền tải 14

1.2.3 Các dạng cơ bản của các thiết bị điều khiển FACTS 18

1.2.4 Mô t ả và định nghĩa các thiết bị điều khiển FACTS 22

1.2.5 Ứng dụng của các thiết bị FACTS 33

1.2.6 Chi phí đầu tư và hiệu quả kinh tế của các thiết bị FACTS 36

1.2.7 Kết luận 39

Chương 2 - Nguyên lý và c ấu tạo của thiết bị TCSC và TCPAR 40

2.1 Tụ bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC) 40

2.1.1 Nguyên lý ho ạt động của kháng điều chỉnh bằng Thyristor – TCR (Thyristor Controlled Reactor) 40

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý của tụ điện bù dọc điều khiển bằng Thyristor (TCSC) 46

2.2 Thi ết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor (TCPAR) 53

2.2.1 Các đặc tính hoạt động của thiết bị điều khiển góc pha 54

2.2.2 Mô hình trạng thái xác lập của thiết bị điều khiển góc pha tĩnh (SPS) 57

2.2.3 Các đặc tính hoạt động trong trạng thái xác lập của thiết bị SPS 60

2.2.4 C ấu trúc và cơ chế điều khiển của TCPAR: 62

Chương 3 - Bài toán tối ưu có xét đến thiết bị FACTS và xác định vị trí đặt tối ưu của thiết b ị FACTS 64

3.1 Mô hình hoá thi ết bị FACTS trong chế độ xác lập bằng mô hình bơm công suất 64

3.1.1 Thiết bị bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor - Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) 64

3.1.2 Thi ết bị điều chỉnh góc pha - Thyristor Controlled Phase Angle Regulator (TCPAR) 66

3.2 Bài toán t ối ưu vận hành 68

3.2.1 Bài toán t ối ưu vận hành thông thường 68

3.2.2 Bài toán tối ưu vận hành có xét đến các thiết bị FACTS 71

3.3 Công cụ lập trình và phương pháp giải bài toán vận hành tối ưu có xét đến các thiết b ị FACTS: 74

3.3.1 Gi ới thiệu về GAMS 74

3.3.2 Phương pháp giải GAMS/MINOS để giải bài toán phi tuyến 77

3.4 Bài toán xác định vị trí thiết bị FACTS 86

3.4.1 Gi ới thiệu 86

3.4.2 Phương pháp xác định vị trí của thiết bị FACTS 87

Chương 4 - T ối ưu hoá vận hành hệ thống điện Việt Nam có xét đến thiết bị FACTS 91

4.1 Hệ thống điện Việt Nam và khả năng ứng dụng thiết bị FACTS 91

4.1.2 Hi ện trạng lưới truyền tải 220kV và 110 kV 93

4.2 Tính toán H ệ thống điện 500 - 220 - 110 kV miền Bắc Việt Nam khi chưa và có thiết bị FACTS 97

4.2.1 Hệ thống điện 500-220-110 kV miền bắc Việt Nam 97

4.2.2 K ết quả tính toán tối ưu Hệ thống điện Miền Bắc khi chưa có thiết bị FACTS 104

4.2.3 Kết quả tính toán tối ưu Hệ thống điện Miền Bắc khi có xét đến thiết bị FACTS và v ị trí của thiết bị FACTS 107

4.2.4 Hi ệu quả của thiết bị FACTS đối với chất lượng điện áp 116

Chương 5 - K ết luận và kiến nghị 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

Ph ụ lục 124

Hình 1.1 : Thiết bị FACTS dạng A……… 14

Hình 1.2: Thiết bị FACTS dạng B……… 14

Hình 1.3: Thiết bị FACTS dạng C……… 14

Hình 1.4: Điều khiển công suất trên đường dây truyền tải điện xoay chiều……… 15

Hình 1.5: Các dạng cơ bản của các thiết bị điều khiển FACTS……… 19

Hình 1.6: Các thiết bị điều khiển ngang……… 23

Hình 1.7: Các thiết bị điều khiển dọc……… 29

Hình 1.8: Các thiết bị điều khiển tổ hợp dọc và ngang……… 31

Hình 1.9: Các bộ điều khiển khác……… 33

Hình 1.10a: Chi phí đầu tư điển hình cho SVC/STATCOM……… 37

Hình 1.10b: Chi phí đầu tư điển hình cho SC, TCSC và UPFC……….37

Hình 1.11a: Doanh số bán hàng hàng năm……….38

Hình 1.11b: Chi phí đầu tư điển hình của đường dây truyền tải AC cao áp mới……… 38

Hình 2.1: Nguyên lý cấu tạo của Thyristor……….41

Hình 2.2: Sóng điện áp đầu ra của mạch thuần trở có thyristor……… 41

Hình 2.3: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR……… 42

Hình 2.4: Ảnh hưởng của giá trị góc mở α đến dòng điện của TCR……… 43

Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống điều khiển của TCSC……….…47

Hình 2.6: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TCSC……… 48

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản với TCSC………48

Hình 2.8: Khối hệ thống điều khiển TCSC……….49

Hình 2.9: Điều khiển TCSC………50

Hình 2.10: Đặc tính thay đổi điện kháng và giá trị góc mở α của TCSC… 52

Hình 2.11a: Sơ đồ mô tả thiết bị điều khiển góc pha……… 55

Hình 2.11b: Đồ thị điện áp pha……….…… …55

Hình 2.12a: Sơ đồ thiết bị dịch chuyển góc pha thông thường……… 56

Hình 2.12b: Đồ thị điện áp pha thiết bị dịch chuyển góc pha thông thường………55

Hình 2.13: TCPAR sử dụng đầu thay đổi bằng thyristor và máy biến áp ba pha cho điều chỉnh điện áp rời rạc……….…57

Hình 2.14: Sơ đồ 3 pha của thiết bị SPS……….58

Hình 2.15: Sơ đồ một pha của thiết bị SPS……….58

Hình 2.16: Mạch tương đương của thiết bị SPS……….59

Hình 2.17: Mạch tương đương của đường dây hình tia và thiết bị SPS…….60

Hình 2.18: Ảnh hưởng của điện áp pha vuông góc bơm vào theo điện áp và công suất tác dụng……… 61

Hình 2.18: Ảnh hưởng của điện áp pha vuông góc bơm vào theo dòng điện và công suất phản kháng……… … 62

Hình 2.20: Mạch điều khiển bên trong cơ sở của TCPAR……… 63

Hình 3.1: Mô hình đường dây truyền tải……….64

Hình 3.2: Mô hình TCSC……… 65

Hình 3.3: Mô hình công suất bơm TCSC……… …….65

Hình 3.4: Sơ đồ tương đương TCPAR……….… 66

Hình 3.5: Mô hình công suất bơm TCPAR……….…66

Hình 3.6: Sơ đồ thuật toán của chương trình lập bằng GAMS……… 81

Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán xác định tối ưu vị trí của thiết bị FACTS……….89

Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống điện 220-500 kV miền Bắc Việt Nam………… 100

Hình 4.2: Biểu đồ phụ tải ngày điển hình miền Bắc……….101

Hình 4.3: Vị trí của TCSC và TCPAR trong hệ thống điện miền Bắc… …109

Hình 4.4: So sánh biên độ điện áp khi có TCPAR lắp đặt trên đường dây 2001-2020 và không có thiết bị FACTS tại giờ cực đại……….… 117

Hình 4.5: So sánh biên độ điện áp khi có TCSC lắp đặt trên đường dây 2020-2021 và không có thiết bị FACTS tại giờ cực đại………117

M ục lục các bảng

Bảng 1.1: Các dạng thiết bị FACTS……….……… 13

Bảng 1.3: Những lợi ích của các thiết FACTS với các ứng dụng khác nhau 34

Bảng 1.4 : Các ứng dụng trạng thái xác lập của FACTS……….34

Bảng 1.5 : Các ứng dụng trạng thái động của FACTS……….35

Bảng 2.1 : Giá trị dòng điện điện cảm không đổi………44

Bảng 3.1 : Các chương trình trong GAMS……… 75

Bảng 4.1 : Khối lượng đường dây và trạm biến áp……… 91

Bảng 4.2: Tổng hợp khối lượng đường dây và trạm 500 kV……… 92

Bảng 4.3: Tổng hợp khối lượng đường dây……….93

Bảng 4.4: Tổng hợp khối lượng trạm biến áp 220 kV, 110 kV……… 94

Bảng 4.5: Trào lưu công suất và hệ số mang tải của các đường dây 220 kV miền Bắc tại giờ cực đại……… 101

Bảng 4.6: Chi phí vận hành – Model-1 cơ sở và Tổng tổn thất công suất tác dụng – Model-2 cơ sở……… ………104

Bảng 4.7: Nguồn huy động trong Model-1 và Model-2 khi chưa có FACTS……… 105

Bảng 4.8: Tổng tổn thất và tổng chi phí vận hành trong Model-1 và Model-2 khi chưa có thiết bị FACTS……… … 106

Bảng 4.9: Hệ số mang tải trên các đường dây 220 kV của Model-1 và Model-2……….………106

Bảng 4.10: Chi phí vận hành và tổng tổn thất công suất tác dụng của kịch bản có TCSC và TCPAR……… ………….108

Bảng 4.11: Tổng tổn thất công suất tác dụng và chi phí của Model-1 khi có TCSC lắp đặt trên đường dây 2020-2021 và TCPAR lắp đặt trên đường dây 2001-2020……… 110

Bảng 4.11: Tổng tổn thất công suất tác dụng và chi phí của Model-2 khi có TCSC lắp đặt trên đường dây 2020-2021 và TCPAR lắp đặt trên đường dây 2001-2020………111

Bảng 4.13: Giá trị XTSCS khi TCSC lắp đặt trên đường dây 2020-2021 và khi фTCPAR khi TCPAR lắp đặt trên đường dây 2001-2020……… 112

Bảng 4.14: Kết quả nguồn huy động của Model-1 và Model-2 khi có TCSC lắp trên đường dây 2020-2021 và TCPAR lắp trên đường dây 2001-2020…113 Bảng 4.15: So sách tổng tổn thất công suất tác dụng và chi phí vận hành của Model-1 và Model-2 khi có TCSC và TCPAR……….… 114

Bảng 4.16: Mức mang tải trên một số đường dây trong Model-1 và Model-2 khi có TCSC và TCPAR tại giờ cực đại……… 115

CSPK Công suất phản kháng

CSTD Công suất tác dụng

EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam

FACTS Thiết bị điều chỉnh trong hệ thống truyền tải xoay

chiều linh hoạt

HTĐ Hệ thống điện

IEEE Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử

LP Thuật toán tuyến tính

MILP Thuật toán tuyến tính nguyên hỗn

MINLP Thuật toán phi tuyến nguyên hỗn

MINOS Module cơ sở của hệ thống tối ưu phi tuyến

Model-1 Bài toán cực tiểu chi phí vận hành của hệ thống Model-2 Bài toán cực tiểu tổng tổn thất công suất tác dụng NLP Thuật toán phi tuyến

NMNĐ Nhà máy nhiệt điện

OPF Tối ưu vận hành

PARs Thiết bị điều chỉnh góc pha cơ khí

PI Khối tỷ lệ tích phân

POD Khối giảm dao động công suất

SPS THiết bị điều chỉnh pha tĩnh

STATCOM Thiết bị bù đồng bộ tĩnh

SVC Thiết bị bù tĩnh

TCPAR Thiết bị điều chỉnh góc pha bằng Thyristor

TCR Kháng điều chỉnh bằng Thyristor

TCSC Tụ bù dọc điều khiển bằng Thyristor

UPFC Thiết bị điều khiển công suất hợp nhất

Mở đầu

Hệ thống điện Việt Nam đã trải qua thời kỳ phát triển nhanh chóng, từ lưới điện 35 kV năm 1955 đã phát triển thành lưới điện 110 kV rồi 220 kV và đến nay đã có lưới điện 500 kV Từ các hệ thống điện riêng rẽ đã được kết nối thành hệ thống toàn quốc bằng các đường dây 500 kV Bắc – Nam Công suất phát hiện nay của toàn hệ thống đã lên tới 13000 MW

Hiện tại hệ thống điện Việt Nam đã trở thành hệ thống điện khá phức

tạp và vẫn đang phát triển mạnh mẽ về mọi mặt để đáp ứng nhu cầu nền kinh

tế quốc dân đang phát triển với tốc độ rất cao Hệ thống đang gặp phải những bất lợi đối với hệ thống điện phức tạp, khi phụ tải tăng lên, nếu hệ thống không đáp ứng kịp thời như sau: i) Khả năng ổn định tĩnh, động và ổn định điện áp giảm thấp; ii) Mức điện áp chung giảm thấp; iii) Một số đường dây đạt tới giới hạn nhiệt ; iv) Tổn thất điện năng tăng cao

Các vấn đề này làm giảm an toàn hệ thống điện, giảm độ tin cậy cung

cấp điện và tăng chi phí vận hành Để giải quyết các vấn đề trên, hệ thống phải tăng công suất nguồn và khả năng truyền tải của lưới điện nghĩa là phải đầu tư, xây dựng thêm các nhà máy điện mới và đường dây truyền tải điện

mới

Trong đó có nhiều vấn đề không giải quyết triệt để được bằng cách này, như các vấn đề quá trình quá độ, ổn định…do đó từ những năm 1980 một loại thiết bị có khả năng thay đổi thông số tức thời đã được phát triển và ứng dụng vào hệ thống điện nhằm cải thiện các tính chất kỹ thuật và nâng cao hiệu quả kinh tế của nó Các thiết bị này gọi chung là các thiết bị điều khiển FACTS, sau đây gọi là các thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission Systems)

Thông số của các thiết bị FACTS được điều khiển tức thời nhờ có các thysistor công suất lớn Thông số được điều khiển ở đây có 02 loại: i) Điều khiển công suất phản kháng tiêu thụ; ii) Điều khiển dung kháng

Các lợi ích của thiết bị FACTS bao gồm: i) tăng khả năng vận hành của đường dây và giảm chi phí đầu tư cho các đường dây mới; ii) cải thiện ổn định của hệ thống; iii) nâng cao độ tin cậy hệ thống FACTS cũng có khả năng điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng, duy trì điện áp

ổn định tại các nút phụ tải, điều chỉnh dòng công suất quẩn không mong muốn

và công suất qua lại hai chiều giữa các lưới điện khu vực Khả năng kiểm soát

trào lưu công suất trong hệ thống điện mà không cần đến điều chỉnh kế hoạch nguồn hoặc các thay đổi cấu trúc lưới có thể nâng cao khả năng vận hành tối

bị FACST theo các tiêu chí và các điều kiện vận hành xác định Tuy nhiên ở

Việt Nam các nghiên cứu từ trước đến nay chưa được thực hiện một cách đầy

đủ Đã có nhiều luận án thạc sỹ đề cập đến vấn đề ảnh hưởng của các thiết bị FACTS đến quá trình quá độ, đến ổn định động của hệ thống điện Việt Nam Các nghiên cứu này đều chưa đề cập đến vấn đề giảm tổn thất điện năng và chi phí vận hành Nội dung của luận án này nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các thiết bị FACTS trong vận hành hệ thống điện Việt Nam, trực tiếp xem xét ảnh hưởng của các thiết bị FACTS đến giảm tổn thất công suất, tổn thất điện năng và chi phí vận hành của hệ thống

Vấn đề giảm tổng tổn thất công suất, tổn thất điện năng, chi phí vận hành là vấn đề rất quan trọng hiện nay khi tiến độ của nguồn điện và lưới điện không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của phụ tải Giảm tổn thất công

suất sẽ tăng độ tin cậy, giảm nhu cầu công suất đồng thời có thể trì hoãn đầu

tư vào các đường dây mới thậm chí nhà máy điện mới Giảm chí phí vận hành

sẽ giảm được chi phí nhiên liệu đang rất khan hiếm ở Việt Nam Hiện tại chi phí nhiên liệu ở hệ thống điện Việt Nam vào khoảng 0,8 đến 2 triệu $US mỗi ngày (tuỳ theo mùa), nếu giảm được một vài phần trăm của con số này cũng

tiết kiệm được hàng trăm tỷ VNĐ mỗi năm

Để đáp ứng các yêu cầu giá trị tối ưu, mô hình thiết bị FACTS thích

hợp cần được nghiên cứu khảo sát trong bài toán tối ưu hoá chi phí vận hành

và tối ưu công suất phản kháng Từ đó xác định vị trí hợp lý và điều khiển

một cách tối ưu của các thiết bị FACTS trong hệ thống điện được xác định theo các điều kiện bài toán tối ưu chi phí vận hành và tổng tổn thất công suất tác dụng

Mục đích nghiên cứu bao gồm các phần sau:

- Nghiên cứu và mô phỏng thiết bị FACTS trong tính toán chế độ xác lập

- Lập chương trình tính toán bài toán tối ưu chí phí vận hành/ tối ưu tổng tổn thất hệ thống có xem xét đến các thiết bị FACTS bằng ngôn ngữ GAMS

- Tính toán xác định vị trí đặt tối ưu của thiết bị FACTS trong Hệ thống điện miền Bắc Việt Nam

- Nghiên cứu ảnh hưởng của FACTS tại vị trí lựa chọn tối ưu trong bài toán tối ưu chí phí vận hành/tổng tổn thất hệ thống điện Miền Bắc Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong nghiên cứu này trong số các thiết bị FACTS chỉ xem xét các thiết bị bù dọc TCSC và TCPAR trong bài toán tối ưu chí phí vận hành/tối ưu tổng tổn thất hệ thống

Vị trí đặt tối ưu của thiết bị FACTS trên cơ sở trạng thái xác lập được xác định cho 01 thiết bị FACTS được lắp đặt trên một đường dây trong mỗi trường hợp và được xác định bằng phân tích, tính toán theo các tiêu chí:

- Cực tiểu tổng tổn thất công suất tác dụng của hệ thống;

- Cực tiểu chi phí vận hành của hệ thống

Nghiên cứu không xem xét xác định tối ưu vị trí đặt và việc phối hợp điều khiển khi số lượng chủng loại thiết bị FACTS từ 02 trở lên trong hệ

thống điện và bài toán tối ưu có hàm mục tiêu kết hợp hay đa mục tiêu là Tổng tổn tổn thất công suất tác dụng và Tổng chi phí vận hành

Phân tích được tính toán cho Hệ thống điện Miền Bắc Việt Nam Phân tích so sách giữa kết quả tính toán bài toán cực tiểu chí phí vận hành/cực tiểu tổng tổn thất hệ thống có xem xét đến các thiết bị FACTS tại vị trí lựa chọn

tối ưu được xem xét nhằm đánh giá hiệu quả của thiết bị FACTS trong từng trường hợp nghiên cứu

Thông số của Hệ thống điện Miền Bắc Việt Nam được lấy từ số liệu của Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia Giới hạn của nghiên cứu chỉ xem xét hệ thống 220-500 kV và nút 110 kV nối với các nguồn phát của hệ

thống điện miền Bắc Việt Nam

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC) và điều chỉnh góc pha điều khiển

bằng thyristor (TCPAR) để điều khiển luồng công suất trên đường dây truyền tải nhằm nâng cao khả năng truyền tải, giảm tổn thất công suất và điện năng trên đường dây.Luận án đã mô phỏng thiết bị TCSC và thiết bị TCPAR trong tính toán chế độ xác lập bằng mô hình bơm công suất Trên cơ sở phương pháp mô phỏng đề xuất bằng việc sử dụng ngôn ngữ GAMS, luận án đã xây dựng chương trình tính toán bằng GAMS thành công cho mô phỏng áp dụng tính toán bài toán cực tiểu chí phí vận hành/ cực tiểu tổng tổn thất hệ thống có xem xét đến các thiết bị FACTS bù dọc TCSC và TCPAR Luận án đã đưa ra phương pháp lựa chọn nhanh vị trí của thiết bị FACTS trên cơ sở trạng thái xác lập được xác định theo theo các tiêu chí: i) cực tiểu chi phí vận hành của

hệ thống cực ; ii) cực tiểu tổn thất công suất tác dụng của hệ thống

của thiết bị FACTS theo tiêu chí cực tiểu chí phí vận hành/cực tiểu tổng tổn

thất hệ thống và phân tích, tính toán nhằm đánh giá hiệu quả của thiết bị FACTS trong từng trường hợp nghiên cứu Thông qua việc phân tích, tính toán được tiến hành cho Hệ thống điện Miền Bắc Việt Nam trên cơ sở chương trình viết bằng ngôn ngữ GAMS với vị trí lựa chọn thích hợp của thiết bị FACTS đã chứng minh lợi ích của các thiết bị FACTS lựa chọn không những giúp giảm tổn thất của hệ thống, chi phí vận hành hệ thống mà còn giúp cải thiện khả năng tải của hệ thống Các nguồn điện có chi phí vận hành thấp được huy động tốt hơn nhờ khả năng nâng cao và điều khiển công suất các đường dây truyền tải hiện hữu Thiết bị FACTS còn có thể cải thiện biên độ dao động điện áp của hệ thống, đây cũng là một yếu tố quan trọng khi quyết định đầu tư FACTS khi xem xét các tiêu chí về chất lượng điện năng

Luận án được trình bày trong 5 chương, phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục:

Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hoá vận hành hệ thống điện và ứng dụng của các thiết bị FACTS

Chương 2 : Nguyên lý và ứng dụng của thiết bị TCSC và TCPAR Chương 3 : Bài toán tối ưu có xét đến thiết bị FACTS và xác định vị trí đặt tối ưu của thiết bị FACTS

Chương 4 : Tối ưu vận hành hệ thống điện Việt Nam có xét đến thiết bị FACTS

Chương 5 : Kết luận và kiến nghị

Ch ương 1 Tổng quan về tối ưu hoá vận hành hệ thống điện và ứng dụng

của các thiết bị FACTS

Hệ thống điện thuộc về dạng điển hình của đối tượng có hoạt động phức tạp vì thế khi áp dụng các phương pháp tối ưu hoá có những đặc điểm riêng với những ưu việt và khó khăn nhất định [5] Các bài toán thường được

áp dụng trong trong tính toán tối ưu hoá vận hành HTĐ bao gồm:

- Đầu tư hợp lý trang thiết bị mới và phát triển lưới điện nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng phụ tải trong tương lai

- Xây dựng kế hoạch bảo trì sửa chữa tối ưu

- Tìm chế độ phân bố công suất và điều chỉnh điện áp thoả mãn độ tin

cậy và chỉ tiêu kinh tế vận hành

- Cực đại hoá lợi tức (income) kinh doanh điện năng trong một chu kỳ tính toán (ví dụ trong 24 giờ kế tiếp)

Nhiều trường hợp, lời giải xấp xỉ tối ưu có thể đưa ra được bởi các chuyên gia quy hoạch có kinh nghiệm Tuy nhiên khi HTĐ phát triển phức

tạp, cách làm này gặp rất nhiều khó khăn nếu phải xét đến đầy đủ các yếu tố, các điều kiện giới hạn và ràng buộc

Có 2 phương thức sử dụng chính: quy hoạch (off-line) và vận hành line) Mỗi phương thức lại bao gồm một số lượng lớn các lĩnh vực ứng dụng

(on-với những yêu cầu khác nhau

Trước hết là các bài toán quy hoạch phát triển, trong đó cần thiết xem xét quá trình đầu tư chọn lọc cấu trúc hệ thống sao cho đáp ứng được nhu cầu cung cấp điện trong tương lai luôn tăng trưởng Để thực hiện bài toán này cần phải tính toán và đánh giá hàng loạt các phương án đầu tư, theo cả không gian

và thời gian (đề xuất vị trí và dự kiến công suất trang thiết bị đặt thêm theo từng giai đoạn) Trong trường hợp này ngoài các phương pháp tính toán đánh giá, các thuật toán phối hợp phương án để so sánh có ý nghĩa rất quan trọng, đôi khi là phần chính của kỹ thuật tối ưu hoá chiếm phần lớn thời gian thực hiện

Các yêu cầu đối với mô hình và phương pháp giải trong phương thức vận hành có nhiều khác biệt so với quy hoạch Trong phương thức vận hành

tốc độ tính toán và tính đơn giản có tầm quan trọng đặc biệt Mục đích là sử dụng được ngay các kết quả tính toán Vì thế trong trường hợp mô hình không

có lời giải cần phải xác định ngay được nguyên nhân và đưa ra những điều chỉnh hợp lý Phương thức on-line có thể dựa trên kết quả tính toán một trạng thái cụ thể Tuy nhiên, khi đó nội dung hiệu chỉnh sai lệch do các tác động ngẫu nhiên là rất cần thiết, không thể thiếu để đảm bảo sự phù hợp của lời giải

Đứng trước thực tế này nhiều nghiên cứu nhằm phát triển chương trình

và thuật toán tối ưu vận hành HTĐ đã được thực hiện Trước hết là việc đưa vào xem xét các biến phi tuyến nhằm thể hiện mối quan hệ phi tuyến rõ rệt

giữa tổn thất và dòng công suất truyền tải Tiếp đến là việc áp dụng các thuật toán mạnh nhằm giải được các bài toán lớn xét đến tổng hợp nhiều yếu tố giới hạn, tính toán nhanh và cho lời giải tin cậy

Nói chung các chương trình tính toán phân bố tối ưu công suất cho đến hiện nay vẫn tách riêng : phân bố tối ưu công suất tác dụng (CSTD) và phân

bố tối ưu công suất phản kháng (CSPK)

Khi giải bài toán phân bố tối ưu CSTD các biến điều khiển được sử

dụng là công suất tác dụng của các tổ máy và tác động điều chỉnh điện áp pha của các máy biến áp điều áp dưới tải Khi tối ưu hoá CSPK các biến điều khiển được sử dụng là CSPK và điện áp đầu cực của các tổ máy phát, tỉ số

biến áp của các máy biến áp điều áp dưới tải, công suất phản kháng tạo ra của các thiết bị bù Trong cả hai bài toán trên đều phải xét đến tổn thất công suất tác dụng

Hàm mục tiêu của bài toán phân bố tối ưu CSTD có thể bao gồm các thành phần nhằm cực tiểu hoá tổng chi phí nhiên liệu các NMNĐ trong hệ thống, độ ô nhiễm môi trường và tổn thất trong lưới, cực đại công suất tác dụng trao đổi giữa các khu vực

a) Điều độ công suất tác dụng

Hoạt động điều độ CSTD dùng trong môi trường EMS ứng với những khoảng thời gian khác nhau, xét đến độ tin cậy sử dụng công suất và điện

năng ở khoảng tính toán kế tiếp Thường được chấp nhận các khoảng tính toán sau:

- Lập kế hoạch trước một ngày (day-before scheduling);

- Điều độ trước vận hành (advance dispatch);

- Điều độ kinh tế tức thời (instantaneous economic dispatch)

Bài toán xây dựng kế hoạch trước cho vận hành một ngày kế tiếp thường là bài toán phân bố tối ưu công suất tác dụng trong 24 giờ Các khoảng thời gian tính toán thường chọn từ 5 phút đến 1 giờ, trong đó phụ tải được lấy theo biểu đồ dự báo Các tổ máy nhiệt điện thường được giả thiết không đóng cắt hoặc chỉ đóng cắt trong những trường hợp hết sức đặc biệt Giới hạn về ô nhiễm môi trường được cho theo giới hạn điện năng phát của

một số NMNĐ (phụ thuộc đặc tính nhiên liệu và điều kiện thời tiết)

Bài toán tối ưu hoá điều độ trước vận hành nhằm điều chỉnh lại biểu đồ

vận hành theo những dự báo ngắn hạn về phụ tải (30 phút đến 1 giờ) Các tính toán tối ưu hoá phân bố công suất tác dụng được thực hiện cho những khoảng thời gian từ 1 đến 5 phút Các thuật toán này cần lựa chọn để có thể tính toán nhanh

Cuối cùng là điều độ tức thời sau những biến động ngẫu nhiên Trong trường hợp phụ tải có biến động lớn đột ngột ngoài dự báo, thiết bị tự động điều chỉnh tần số các máy phát hoạt động, thay đổi công suất tác dụng để giữ

tần số Sau những tác động này cần có tác động điều phối lại theo điều kiện kinh tế (economic dispatch) gọi là điều độ kinh tế tức thời (instantaneous economic dispatch) Thuật toán sử dụng trong bài toán này thường là xấp xỉ

tối ưu: hiệu chỉnh nhanh theo điều kiện mới trên cơ sở các tỉ lệ phân bố tối ưu công suất trước đó

Bài toán phân bố tối ưu CSPK được thực hiện cho khoảng thời gian 1 ngày đêm dựa trên cơ sở bài toán phân bố tối ưu ngắn hạn phân bố CSTD và biểu đồ phụ tải 1 ngày đêm Hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất CSTD trong lưới truyền tải Các biến điều khiển là điện áp đầu cực (hoặc CSPK) các tổ máy phát, đầu phân áp của các máy biến áp điều áp dưới tải, công suất làm việc của các thiết bị bù Các ràng buộc bao gồm giới hạn CSPK phát của các máy phát, giới hạn điện áp tại các nút trong lưới, giới hạn truyền tải CSPK trên các đường dây (có thể theo điều kiện ổn định) Điều độ rất ngắn hạn CSPK (15-30 phút) cũng được nghiên cứu Tuy nhiên, việc điều độ rất ngắn hạn CSPK hiện nay còn ít được áp dụng

Các bài toán nghiên cứu về phân bố dòng công suất thông thường được

mô tả với phụ tải đã biết, tương ứng với chế độ xác lập (CĐXL) 3 pha đối

xứng Cần phân biệt CĐXL bình thường và CĐXL cưỡng bức Trong CĐXL bình thường các quan hệ ràng buộc dựa trên cơ sở cấu trúc thực (actual structure) của lưới với số nút, số nhánh hoàn toàn xác định, kể cả trạng thái làm việc của các máy phát Các ràng buộc trong chế độ cưỡng bức (còn gọi là chế độ có mức an toàn n-1 hoặc chế độ khẩn cấp) được định nghĩa như sau

Một hệ thống vận hành trong chế độ n-1 nếu:

- Trước đột biến thoả mãn các ràng buộc vận hành bình thường;

- Có một nhánh (kể cả thiết bị bù ngang) hoặc một máy phát ngừng làm việc

Tối ưu hoá chế độ vận hành cưỡng bức có liên quan nhiều với yêu cầu

về độ tin cậy Đó là vì trong trạng thái vận hành cưỡng bức, nếu có xảy ra một đột biến nào đó thì hệ thống dễ chuyển sang chế độ rất xấu Để khôi phục được cần phải mất một thời gian quá độ Trong trường hợp này mâu thuẫn giữa yêu cầu nâng cao độ tin cậy với chi phí tăng thêm về vốn đầu tư và ảnh hưởng tới môi trường có ý nghĩa trọng yếu trong nội dung bài toán

Sự liên kết hệ thống điện giữa các nước đang trở thành xu hướng Cửa

mở liên thông giữa các hệ thống đưa đến những yêu cầu quan trọng trong quản lý và tính toán, trước hết là giá mua và bán điện Điều này khá phức tạp

vì có quan hệ với đầu tư lưới, các ràng buộc kỹ thuật của cả hai phía (mua CSTD, tự bù CSPK )

Hàm mục tiêu trong trường hợp này bao gồm các tiêu chí:

1.1.3 Mô t ả toán học của bài toán tối ưu hoá thông thường

Một bài toán tối ưu hoá vận hành HTĐ có 3 thành phần cơ bản: hàm mục tiêu, các ràng buộc phải thoả mãn và các biến [8]

Trong trường hợp chung, có thể mô tả bài toán như sau:

Cực tiểu hoá hàm f(x) (1.1)

sao cho:

hmin < h(x) < hmax (1.3) Trong đó:

f(x) hàm mục tiêu

g(x) phương trình

h(x) ràng buộc bất phương trình

x vectơ biến trạng thái và biến điều khiển

hmin giới hạn dưới của ràng buộc bất phương trình

hmax giới hạn trên của ràng buộc bất phương trình

Có nhiều hàm mục tiêu khác nhau có thể được sử dụng trong các bài toán tối ưu hoá HTĐ

Hàm mục tiêu trong trường hợp này được biểu diễn ở dạng tổng chi phí vận hành của tất cả các máy phát cộng với chi phí trao đổi công suất với hệ

thống liên kết Chi phí tổn thất trên lưới thường được kể đến thông qua hệ phương trình cân bằng công suất lưới

Dạng chung của hàm mục tiêu trong trường hợp cực tiểu hoá chi phí

v ận hành là:

min )

( )

G i

gi i m

P C t x

∆tm khoảng thời gian m;

NS số khoảng thời gian;

min )

( )

gi

i P C x

Hàm chi phí Ci(Pgi) thể hiện mối phụ thuộc chi phí vận hành của máy phát vào công suất tác dụng của nó Hàm này trong mức độ gần đúng khác nhau có thể là tuyến tính, tuyến tính từng khúc, hàm bậc hai, đa thức bậc cao hơn Dạng hàm có quan hệ quyết định đến khả năng sử dụng các phương pháp giải bài toán

Trong ký hiệu dạng chung của hàm f(x), x là vectơ các biến trạng thái

hệ thống và biến điều khiển (CSTD của máy phát và CS trao đổi qua HTĐ liên kết), muốn nói lên sự phụ thuộc phức tạp của hàm mục tiêu vào chế độ hệ

thống Sự phụ thuộc này xác định bởi quan hệ của công các suất Pgi trên hàm mục tiêu với sự có mặt của chúng trong hệ ràng buộc và giới hạn (1.2) và (1.3) của bài toán Trong bài toán phân bố tối ưu công suất đầy đủ các biến điều khiển bao gồm cả CSTD và CSPK, đều nằm trong hàm mục tiêu

Khi giải bài toán tối ưu hoá dài hạn hàm mục tiêu cần chứa biến công suất của mọi tổ máy (chúng có thể chỉ tham gia trong những khoảng thời nhất định, quyết định bởi lời giải tối ưu) Khi đó các chi phí khởi động, điều chỉnh công suất và chạy không tải đều cần phải đưa vào

Bài toán cực tiểu hoá tổn thất CSTD thường được thực hiện tiếp sau bài toán cực tiểu hoá chi phí vận hành hay cũng có thể hiểu là giai đoạn 2 của bài toán phân bố tối ưu công suất đầy đủ (cả CSTD và CSPK) Khi đó công suất tác dụng của tất cả các máy phát kể cả máy phát của nút cân bằng đều được coi là đã hoàn toàn xác định và tối ưu theo chi phí vận hành Tối ưu hoá các biến điều khiển chỉ còn là phân bố công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp

Trong trường hợp này thực chất trị số của hàm mục tiêu chính là tổng các tổn thất trên mọi nhánh của lưới tính theo công thức chung RI2 Tuy nhiên,

để thuận tiện hơn ta có thể biểu diễn bằng cách sử dụng các biến trong các phương trình ràng buộc (phương trình trạng thái của lưới) Người ta thường biểu diễn hàm mục tiêu theo 2 cách: cực tiểu công suất tổng của nút cân bằng

hoặc cực tiểu tổng công suất hai đầu các nhánh của lưới

Trường hợp thứ nhất hàm mục tiêu có dạng:

min )

( )

Tổng được lấy theo mọi nhánh trong vùng lưới quan tâm

Phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống, việc thực hiện cực tiểu hoá tổn thất CSTD có thể làm ảnh hưởng đến độ an toàn vận hành (ví dụ mất ổn định điện áp), do cực tiểu hoá tổn thất CSTD có thể dẫn đến thiếu dự trữ CSPK ở một

số vùng Để tránh nguy cơ này cần đưa vào hàm mục tiêu các quan hệ đảm bảo dự trữ CSPK cho mọi khu vực (tất cả các máy phát)

Hàm mục tiêu được biểu diễn trong trường hợp này là tổng có trọng số

dự trữ CSPK của tất cả các máy phát Hàm có dạng sau:

max )

( )

gi gi

i Q Q W

Do những lý do khác nhau (nhất là trong trường hợp quản lý lưới điện theo cơ chế thị trường mua bán điện) cần phải cực đại hoá CSTD truyền tải trên những phần lưới quan tâm Trong trường hợp này hàm mục tiêu có thể

biểu diễn theo một số dạng phụ thuộc vào cấu trúc lưới Có 3 trường hợp cần phân biệt

a) Trường hợp truyền tải giữa 2 nút (point-to-point)

Hàm mục tiêu có thể chọn là công suất nguồn Pg hoặc tổng công suất tải PL Trong trường hợp chung hơn PL có thể gồm tải ở cả các nút trung gian trong lưới

b) Trường hợp truyền tải giữa 2 nút, có lưới song song

Hàm mục tiêu cũng giống như trường hợp trên nhưng cần thêm ràng buộc về quan hệ phân tải với lưới song song Trường hợp riêng đơn giản nhất khi tải trên lưới xét làm việc độc lập với lưới song song Khi đó không cần có ràng buộc nào bổ sung

c) Trường hợp có nhiều mạch truyền tải nối liên kết hai lưới phức tạp

Hàm mục tiêu trong trường hợp này có thể biểu diễn là tổng công suất tác dụng truyền tải đi qua mặt cắt A-A nào đó tách riêng hai phần lưới Ta có:

P x

f

1

max )

N là số phần tử trong mặt cắt

Trong trường hợp này ràng buộc về giới hạn điện áp các nút cần phải được xét đến

Có những đại lượng khác nhau biểu thị ảnh hưởng ô nhiễm môi trường,

ví dụ khối lượng khí thải (SO2) từ các nhà máy nhiệt điện, độ tăng nhiệt độ nước sông do hoạt động của hệ thống nước tuần hoàn làm mát các bình ngưng Hạn chế các đại lượng này có thể thực hiện trong ràng buộc nhưng cũng có

thể đưa vào hàm mục tiêu theo nghĩa cực tiểu hoá Hàm mục tiêu trong trường hợp này có dạng:

f

1

min )

( )

Trong Ei là hàm biểu diễn quan hệ giữa đại lượng ô nhiễm với công

suất tổ máy Quan hệ này thường có dạng phi tuyến, xác định bằng thực nghiệm và biểu diễn gần đúng theo đa thức

Cùng với sự phát triển rất nhanh của hệ thống điện, đòi hỏi những công nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của hệ thống điện hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống Để đáp ứng nhu cầu này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (FACTS - Flexible AC Transmission Systems) đã được bắt đầu nghiên cứu vào cuối năm 1980 nhằm giải quyết 2 vấn đề chính: để nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền tải và giữ công suất trong khoảng giới hạn

đã định trước Để thực hiện các yêu cầu trên đòi hỏi phải có các phương pháp điều khiển hiệu quả dòng công suất Với việc sử dụng cuộn kháng để điều khiển biên độ và góc pha của điện áp, công nghệ FACTS có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của hệ

thống điện [23,24]

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất, ngày càng

có nhiều các thiết bị FACTS được thiết kế và ứng dụng Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điều khiển khác nhau và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công suất

Theo các thông số điều khiển có thể chia thiết bị FACTS thành 3 dạng

A, B và C Bảng 1.1 liệt kê các dạng khác nhau với các thông số được điều khiển tương ứng với các ví dụ về thiết bị FACTS [24]

V T , ϕ T , I q

B

0

Tụ bù dọc điều khiển bằng Thyristor

Thyristor-Controlled Series Capacitor

(TCSC)

Điều khiển công suất tác

d ụng (P)

x C

Thiết bị bù dọc đồng bộ tĩnh Static Synchronous Series Compensator

(SVC) Điều chỉnh điện áp

B ù đồng bộ tĩnh Static Synchronous Compensator

(STATCOM)

Thi ết bị FACTS dạng A: Hình (1.1) cho thấy thiết bị FACTS được nối

vào giữa một đường dây nối từ nút i đến nút j Giả thiết trong thiết bị FACTS

dạng A, công suất tác dụng và phản kháng truyền tải trên đường dây được điều khiển, còn biên độ điện áp và góc pha của nút không được xác định và coi như độc lập với các trạng thái trào lưu công suất truyền tải điều khiển

Thi ết bị FACTS dạng B: Hình (1.2) chỉ ra thiết bị FACTS dạng B

Trong thiết bị này, chỉ có công suất tác dụng

−

ij

P truyền tải trên đường dây được điều khiển

Thi ết bị FACTS dạng C: Thiết bị FACTS dạng này được chỉ ra trên

hình (1.3) là một thiết bị điều khiển công suất phản kháng tại nút Thiết bị này

điều chỉnh công suất phản kháng bơm vào nút để điều khiển biên độ điện áp tại nút đó

Để điều khiển công suất một cách có hiệu quả trong hệ thống điện, cần xem xét đến các yếu tố giới hạn khả năng truyền tải và xác định rõ lợi ích đạt được khi áp dụng các thiết bị điều khiển FACTS

Để xem xét đến sự thay đổi của các thông số chế độ của HTĐ liên quan đến các thông số điều khiển của thiết bị FACTS, ta xem xét ví dụ một đường dây truyền tải đơn giản trên hình 1.4(a) Nút 1 và 2 là thanh cái của các trạm biến áp lớn hoặc được nối với các nguồn, để đơn giản giả thiết là các nút có công suất vô cùng lớn Hai nút được nối với nhau thông qua đường dây truyền tải chỉ có điện kháng X (bỏ qua điện trở và dung dẫn của đường dây) E1 và

E2 là biên độ điện áp tại các nút tương ứng và góc lệch là δ E Llà véc tơ điện

áp giáng trên điện kháng X của đường dây Biên độ dòng điện trên đường dây

nhận được theo công thức:

X E

I = L , và lệch với EL góc 90°(Hình 1.4b)

Dòng điện chạy trên đường dây có thể được điều khiển bằng việc điều khiển EL hoặc X hoặc δ Nếu góc lệch điện áp giữa hai nút nhỏ, dòng điện gần như đặc trưng cho dòng công suất tác dụng Việc tăng hoặc giảm điện kháng

của đường dây sẽ có hiệu quả lớn đối với việc điều khiển dòng công suất tác dụng Bởi vậy, xét về chi phí thì điều khiển điện kháng, mà thực chất là điều

khiển dòng điện là cách điều khiển dòng công suất hiệu quả nhất Có thể sử dụng các cuộn kháng được điều khiển để điều khiển công suất truyền tải và/hoặc điều khiển góc lệch điện áp để nâng cao tính ổn định của hệ thống

Hình 1.4(c), tương ứng với hình 1.4(b), chỉ ra mối quan hệ theo đồ thị véc tơ giữa các dòng điện tác dụng và phản kháng cùng với mối liên hệ với điện áp tại hai điểm nút

Thành phần tác dụng của dòng điện tại nút 1 là:

Ip1 = (E2 sinδ)/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 1 là:

Iq1 = (E1 – E2 cosδ)/X

Bởi vậy, công suất tác dụng tại đầu nút 1 là:

P1 = E1(E2 sinδ)/X Công suất phản kháng tại đầu nút 1 là:

Q1 = E1(E1 – E2 cosδ)/X (1.11) Tương tự, thành phần tác dụng của dòng điện tại nút 2 là:

Ip2 = (E1 sinδ)/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 2 là:

Iq2 = (E2 – E1 cosδ)/X Bởi vậy, công suất tác dụng tại đầu nút 2 là:

P2 = E2(E1 sinδ)/X Công suất phản kháng tại đầu nút 2 là:

Q2 = E2(E2 – E1 cosδ)/X (1.12) P1 cũng như P2 đều bằng:

Vì đã giả thiết rằng không có tổn thất công suất tác dụng trên đường dây Sự thay đổi giá trị X sẽ thay đổi P, Q1 và Q2 theo như (1.11), (1.12), và (1.13)

Giả thiết rằng, E1 và E2 là cường độ điện áp bên trong của 2 nguồn qui đổi mô tả 2 hệ thống và điện kháng X bao gồm cả điện kháng bên trong của hai nguồn qui đổi, hình 1.4(d) chỉ ra một nửa đường cong hình sin công suất tác dụng tăng tới cực đại khi góc δ tăng tới 90° Công suất sau đó giảm tương ứng với góc δ tăng và công suất giảm đến 0 khi δ = 180° Dễ dàng thấy rõ nếu không có sự điều khiển với tốc độ cao của các thông số như E1, E2, E1-E2, X

và δ, đường dây truyền tải chỉ có thể được sử dụng tốt với góc dưới 90°

Như đã chỉ ra ở hình 1.4(d), việc tăng và giảm giá trị X sẽ làm tăng và

giảm độ cao của đặc tính công suất tác dụng theo góc lệch δ Đối với dòng

công suất truyền tải, sự thay đổi X sẽ tương ứng với sự thay đổi góc lệch giữa điện áp hai điểm đầu và cuối của đường dây truyền tải

Công suất (dòng điện) cũng có thể được điều khiển bởi việc điều chỉnh điện áp E1 hoặc E2 Tuy nhiên, trên hình 1.4(e) cho thấy với sự thay đổi của E1 thì hiệu điện áp E1 – E2 cũng không thay đổi nhiều, nhưng góc pha của nó thì thay đổi nhiều Điều đó có nghĩa rằng, việc thay đổi điện áp E1 hoặc E2 có ảnh hưởng nhiều đến công suất phản kháng hơn là công suất tác dụng, như đã

thấy rõ hai véc tơ dòng điện tương ứng với 2 hiệu điện áp E1 – E2 trên hình 1.4(e)

Dòng điện và cả công suất cũng có thể thay đổi bởi nguồn điện áp dọc đường dây Như trên hình 1.4(f), khi véc tơ điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện (mà nó gần như trùng với véc tơ hiệu điện áp), nó trực tiếp ảnh hưởng tới giá trị hiệu dụng của véc tơ dòng điện Với góc lệch điện áp nhỏ, nó ảnh hưởng lớn tới công suất tác dụng

Điện áp dọc được bơm vào có thể là một véc tơ trùng về biên độ và góc với điện áp đường dây (hình 1.4g) Nó chỉ cho thấy với sự thay đổi biên độ và góc pha của nguồn điện áp nối tiếp thì cả thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện cũng bị ảnh hưởng

Với phân tích ở trên và trên hình 1.4 cho thấy rõ một vài điểm cơ bản của các thông số liên quan đến khả năng điều khiển dòng công suất:

− Điều khiển điện kháng đường dây X (ví dụ dùng tụ bù dọc có điều khiển bằng thyristor) có thể đưa ra một phương pháp hữu ích để điều khiển dòng điện

− Khi góc lệch điện áp giữa hai nút không lớn (thông thường ở các đường dây truyền tải) thì việc điều khiển điện kháng X dùng để điều khiển dòng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây

− Điều khiển góc lệch điện áp δ (ví dụ thiết bị điều chỉnh góc pha), giúp lần lượt điều khiển điện áp của các nút là công cụ hữu ích để điều khiển dòng điện và cả dòng công suất tác dụng trong trường hợp góc lệch điện áp

giữa hai nút không lớn

− Nguồn điện áp bơm dọc đường dây và vuông góc với véc tơ dòng điện có thể làm tăng hoặc giảm biên độ dòng điện Đây là một phương pháp

hữu ích trong việc điều khiển dòng điện đường dây và cả công suất tác dụng khi góc lệch điện áp không lớn

− Nguồn điện áp bơm dọc đường dây và cùng góc lệch với véc tơ điện

áp nút có thể điều khiển được biên độ và góc của véc tơ dòng điện chạy trên

đường dây Điều đó cho thấy rằng việc bơm một véc tơ điện áp cùng với góc lệch thay đổi có thể đưa ra một phương pháp hữu ích để điều khiển chính xác công suất tác dụng và phản kháng Điều đó yêu cầu nguồn bơm cả công suất tác dụng và phản kháng

− Khi góc lệch điện áp không lớn, điều khiển biên độ của một trong các điện áp nút (ví dụ thiết bị điều chỉnh điện áp điều khiển bằng thyristor) có

thể là phương pháp hiệu quả về kinh tế trong việc điều khiển dòng công suất phản kháng qua đường dây truyền tải

− Tổ hợp điều chỉnh điện kháng đường dây với một thiết bị điều khiển

dọc và điều chỉnh điện áp với một thiết bị điều khiển ngang cũng có thể đưa

ra một phương pháp hiệu quả để điều khiển cả dòng công suất tác dụng và

phản kháng truyền tải giữa hai hệ thống

Các kết luận quan trọng nêu trên chính là cơ sở trong việc nghiên cứu chế tạo các loại thiết bị điều khiển FACTS khác nhau Mức độ ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến công suất truyền tải trong HTĐ rất khác nhau Nhìn nhận và đánh giá đúng mối liên hệ giữa chúng cho ta thấy rõ tác dụng

của các thiết bị điều khiển và ứng dụng chúng trong việc nâng cao khả năng truyền tải công suất trong HTĐ

Nhìn chung, các thiết bị điều khiển FACTS có thể được chia thành 4 loại:

• Các thiết bị điều khiển dọc

• Các thiết bị điều khiển ngang

• Các thiết bị điều khiển tổ hợp dọc – dọc

• Các thiết bị điều khiển tổ hợp dọc – ngang

Hình 1.5(a) cho thấy ký hiệu chung của một thiết bị điều khiển FACTS

Hình 1.5 Các dạng cơ bản của các thiết bị điều khiển FACTS: (a) Ký hiệu chung

c ủa thiết bị điều khiển FACTS; (b) Thiết bị điều khiển dọc; (c) Thiết bị điều khiển ngang; (d) Thi ết bị điều khiển kết hợp dọc-dọc; (e) Thiết bị điều khiển tổ hợp dọc và ngang; (f) Thi ết bị điều khiển kết hợp dọc-ngang; (g) Thiết bị điều khiển kết hợp cho nhiều đường dây; (h) Thi ết bị điều khiển dọc với nguồn cấp; (i) Thiết bị điều khiển ngang với nguồn

c ấp; (j) Thiết bị điều khiển kết hợp dọc-ngang với nguồn cấp

Thi ết bị điều khiển dọc: (Hình 1.5b) Thiết bị điều khiển dọc có thể là

một điện kháng biến đổi như tụ điện, kháng điện vv hoặc một nguồn biến đổi cơ sở điện tử công suất với tần số cơ bản, các tần số dưới đồng bộ và các tần số điều hoà (hoặc loại tổ hợp) để đáp ứng theo yêu cầu Về nguyên lý, tất

cả các thiết bị điều khiển dọc đều bơm nguồn điện áp dọc vào đường dây Điện kháng biến thiên được nhân với dòng điện qua nó mô tả điện áp dọc được bơm vào đường dây Khi điện áp nguồn bơm vuông góc với dòng điện đường dây, thiết bị điều khiển dọc chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

Điều khiển ngang: (Hình 1.5c) Giống như trường hợp các thiết bị điều

khiển dọc, các thiết bị điều khiển ngang có thể là các thiết bị kháng điện biến đổi, các nguồn biến đổi hoặc các tổ hợp của chúng Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển ngang bơm dòng vào trong hệ thống tại điểm nối Kháng điện ngang biến đổi được nối với đường dây gây nên dòng điện biến đổi và vì vậy nó được mô tả bằng một nguồn dòng bơm dòng điện vào đường dây Khi véc tơ dòng điện bơm vào vuông góc với điện áp đường dây, thiết bị điều khiển ngang chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

Các thi ết bị điều khiển tổ hợp dọc-dọc: Đây là tổ hợp của các thiết bị

điều khiển dọc riêng biệt mà nó được điều khiển theo kiểu tương thích trong một hệ thống nhiều đường dây truyền tải Hoặc nó có thể là một thiết bị điều khiển kết hợp, (hình 1.5d), trong đó các thiết bị điều khiển dọc cung cấp độc lập công suất phản kháng cho mỗi đường dây nhưng cũng truyền tải công suất tác dụng giữa các đường dây theo đường kết nối công suất Khả năng truyền tải công suất tác dụng của thiết bị điều khiển dọc – dọc kết hợp, tương đương

với việc điều khiển dòng công suất bên trong, làm cho nó có thể cân bằng cả công suất tác dụng và phản kháng trong các đường dây và vì vậy cực đại khả năng sử dụng của hệ thống truyền tải Lưu ý rằng, khả năng “ kết hợp “ có nghĩa là các thiết bị kết nối DC của tất cả các thiết bị chuyển đổi được điều khiển và được nối tất cả cùng nhau để truyền tải công suất tác dụng

Các thi ết bị điều khiển tổ hợp dọc – ngang: (Hình 1.5e và hình 1.5f)

Đây là một thiết bị tổ hợp của các thiết bị điều khiển dọc và ngang riêng biệt

mà nó được điều khiển theo kiểu tương thích (hình 1.5e) hoặc là một thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất với các phần tử dọc và ngang (hình 1.5f)

Về nguyên lý, các thiết bị điều khiển tổ hợp dọc và ngang bơm dòng điện vào trong hệ thống qua các thiết bị điều khiển ngang và bơm nguồn áp vào trong đường dây cùng với các thiết bị điều khiển dọc Tuy nhiên, khi các thiết bị điều khiển dọc và ngang là hợp nhất, ở đó sẽ có sự chuyển đổi công suất tác dụng giữa các thiết bị điều khiển dọc và ngang theo đường kết nối công suất

Thiết bị điều khiển dọc ảnh hưởng đến điện áp và vì vậy cũng ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện và công suất Bởi vậy, nếu mục đích sử dụng là

để điều khiển dòng điện hoặc công suất và giảm dao động thì thiết bị điều

khiển dọc với cỡ MVA được đưa vào sẽ hiệu quả cao hơn vài lần so với thiết

bị điều khiển ngang

Như đã đề cập, thiết bị điều khiển ngang, theo cách hiểu khác thì nó như một nguồn dòng bơm dòng vào đường dây Thiết bị điều khiển ngang,

bởi vậy là cách tốt nhất để điều khiển điện áp tại điểm nối và xung quanh điểm nối thông qua việc bơm riêng dòng điện phản kháng (trước hoặc sau), hoặc tổ hợp của dòng điện tác dụng và phản kháng cho việc điều chỉnh điện

áp và giảm các dao động điện áp

Không thể nói rằng các thiết bị điều khiển dọc không thể được sử dụng

để giữ điện áp đường dây Các dao động điện áp phần lớn là kết quả của tổn thất điện áp trong các điện kháng dọc của các đường dây, máy biến áp và các máy phát Bởi vậy, việc thêm hoặc bớt điện áp điều khiển của thiết bị FACTS dọc (tần số cơ bản, dưới đồng bộ hoặc điện áp điều hoà và tổ hợp các loại) là

một cách hiệu quả nhất trong việc cải thiện hình dạng điện áp Tuy nhiên, một thiết bị điều chỉnh ngang sẽ có hiệu quả nhiều hơn để duy trì hình dạng điện

áp theo yêu cầu tại một nút nguồn Một ưu điểm lớn của thiết bị điều khiển ngang là nó giúp cho nút độc lập với với các đường dây nối đến nút đó

Giải pháp sử dụng thiết bị điều khiển dọc cần thiết trong trường hợp cần tăng khả năng truyền tải công suất của đường dây, nhưng không nhất thiết

sử dụng một thiết bị điều khiển dọc dùng riêng biệt cho một đuờng dây nối đến trạm để khắc phục cho sự thiếu công suất tức thời của đường dây đó Công suất định mức yêu cầu của thiết bị điều khiển dọc nhỏ hơn so với thiết

bị điều khiển ngang và trong mọi trường hợp thiết bị điều khiển ngang không điều khiển công suất trên đường dây

Tổ hợp của các thiết bị điều khiển dọc và ngang (hình 1.5e và 1.5f) có

thể đưa ra một giải pháp tốt nhất cho cả điều khiển dòng công suất hoặc dòng điện và điện áp đuờng dây một cách có hiệu quả

Đối với tổ hợp của các thiết bị điều khiển dọc và ngang, thiết bị điều khiển ngang có thể là một bộ phận đơn dùng để kết nối với các thiết bị điều khiển của các đường dây khác (hình 1.5g) Với thiết kế này có thể có thêm các lợi ích (điều khiển công suất phản kháng) cùng với các thiết bị điều khiển kết hợp

Các thiết bị điều khiển FACTS có thể dựa trên các thiết bị thyristor không có cổng tắt (chỉ có cổng bật), hoặc với các thiết bị công suất có cổng

tắt Các thiết bị điều khiển đặc trưng cùng với các thiết bị có cổng tắt được dựa trên các bộ chuyển đổi từ DC thành AC, có thể trao đổi công suất tác

dụng và/hoặc công suất phản kháng với hệ thống xoay chiều Khi sự chuyển

đổi bao hàm chỉ công suất phản kháng, chúng sẽ được cấp với một nguồn nhỏ nhất về phía DC Tuy nhiên, nếu điện áp và dòng điện xoay chiều phát ra lệch với dòng điện và điện áp đường dây góc 90° thì nguồn của bộ chuyển đổi DC

có thể tăng lên cho hoạt động chuyển đổi như là một nguồn phát công suất

phản kháng Điều này có thể thực hiện với mức độ chuyển đổi để phục vụ cho các nhu cầu nguồn ngắn hạn Thêm nữa, các nguồn khác như là nguồn ắc qui, nam châm siêu dẫn, hoặc bất kỳ nguồn năng lượng nào khác có thể được mắc song song thêm vào qua một giao diện điện tử để bổ sung nguồn một chiều

của bộ chuyển đổi Bất cứ một thiết bị điều khiển theo nguyên lý chuyển đổi dọc, ngang hoặc tổ hợp ngang – dọc có thể là nguồn cấp giống như các nguồn bằng tụ điện, các ắc qui và các nam châm siêu dẫn nó mở rộng ra một hướng

mới của công nghệ FACTS (hình 1.5h, 1.5i, và 1.5j)

Lợi ích của hệ thống các nguồn thêm vào thiết bị điều khiển (như các tụ điện một chiều lớn, các ắc qui tích điện hoặc các nam châm siêu dẫn) là đáng

kể Một thiết bị điều khiển cùng với các nguồn sẽ có hiệu quả điều khiển hệ

thống lớn hơn so với thiết bị điều khiển độc lập mà không có nguồn Điều đó phải được thực hiện với việc bơm tức thời công suất tác dụng vào trong hoặc

ra ngoài hệ thống để chống lại ảnh hưởng của sự truyền tải công suất tác dụng bên trong hệ thống trong trường hợp các thiết bị điều khiển thiếu nguồn Cũng

vì vậy, cần phải xem xét lại về vai trò của các nguồn, đặc biệt là khả năng có

thể phát hoặc nhận với số lượng lớn công suất tác dụng trong thời gian ngắn

Một thiết bị điều khiển dựa trên bộ chuyển đổi cũng có thể được thiết

kế gọi là điều khiển xung cao hoặc với xung điều biến rộng để giảm thấp sự phát sóng điều hoà tới mức độ rất thấp Thực tế, một bộ chuyển đổi có thể được thiết kế để phát ra dạng sóng chuẩn để hoạt động như một bộ lọc phản kháng Nó có thể được điều khiển và hoạt động bằng cách cân bằng điện áp không cân bằng, bao hàm truyền tải năng lượng giữa các pha

Với các lợi ích và thuộc tính như vậy, cần phải có sự so sánh giữa các thiết bị điều khiển dọc với ngang và thiết bị điều khiển kết hợp và việc có nguồn và không có nguồn

Trước khi đi vào mô tả sơ bộ đặc tính của một thiết bị điều khiển FACTS đặc trưng, cần phải đề cập ở đây rằng trong các thiết bị điều khiển cơ

sở chuyển đổi, có hai dạng đặc trưng của các bộ chuyển đổi với các thiết bị cổng tắt Đó là các bộ chuyển đổi nguồn điện áp và các bộ chuyển đổi nguồn dòng điện Như đã chỉ ra bên phía trái hình 1.6a, trong bộ chuyển đổi nguồn

điện áp thiết bị cổng tắt mắc song song với một đi ốt ngược và một tụ điện một chiều như là một nguồn điện áp của nó

Hình 1.6 Các thiết bị điều khiển ngang: (a) Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) dựa trên các

bộ chuyển đổi nguồn điện áp và nguồn dòng điện; (b) STATCOM cùng với nguồn; (c) Máy bù công suất phản kháng tĩnh (SVC), máy phát công suất phản kháng tĩnh (SVG), hệ thống công suất phản kháng tĩnh (SVS), cuộn kháng điều khiển bằng thyristor (TCR), tụ điện đóng cắt bằng thyristor (TSR); (d) Điện trở hãm điều khiển bằng thyristor

Đối với các bộ chuyển đổi nguồn điện áp, điện áp một chiều gián tiếp của tụ điện một chiều được đưa đến phía xoay chiều như điện áp xoay chiều qua việc đóng cắt liên tục của thiết bị Qua bộ chuyển đổi, có thể thay đổi biên độ điện áp xoay chiều đầu ra và có quan hệ về pha đối với điện áp hệ thống xoay chiều Sự đảo chiều công suất bao hàm sự đảo chiều dòng điện,

mà không phải điện áp Khi công suất nguồn của tụ điện một chiều nhỏ, và ở

đó không có nguồn khác được nối đến, bộ chuyển đổi sẽ không thể cung cấp

hoặc tiêu thụ công suất nhiều hơn một chu kỳ Điện áp xoay chiều đầu ra sẽ lệch với dòng điện một góc 90° (có thể vượt trước hoặc chậm sau), và bộ chuyển đổi sẽ chỉ được sử dụng để tiêu thụ hoặc cung cấp công suất phản kháng

Đối với bộ chuyển đổi nguồn dòng, dòng điện một chiều đã được chuyển thành dòng điện xoay chiều qua thiết bị đóng cắt theo trình tự, và dòng điện xoay chiều phát ra thay đổi về biên độ và về pha có quan hệ với điện áp hệ thống xoay chiều Sự đảo chiều công suất bao hàm sự đảo chiều điện áp mà không phải là dòng điện Các bộ chuyển đổi nguồn dòng được mô hình hoá là một hình chữ nhật với một thiết bị công suất và một cuộn kháng một chiều như là nguồn dòng

Nếu so sánh về chi phí, bộ chuyển đổi nguồn điện áp dường như được

ưa chuộng hơn là các cơ sở cho hầu hết các thiết bị điều khiển chuyển đổi của FACTS

Các thuật ngữ và định nghĩa của các thiết bị FACTS do IEEE đưa ra như sau:

Flexible AC Transmission System (FACTS) : Các hệ thống truyền tải xoay chiều kết hợp các bộ điều khiển điện tử công suất và các bộ điều khiển tĩnh khác để làm tăng khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất

Cụm từ “Các bộ điều khiển tĩnh khác” trong định nghĩa của FACTS là

để nhấn mạnh rằng có thể có các bộ điều khiển tĩnh khác mà không phải dựa trên các bộ điện tử công suất

FACTS Controller: Một hệ thống dựa trên thiết bị điện tử công suất và thiết bị tĩnh khác giúp điều khiển một hoặc nhiều thông số hệ thống truyền tải xoay chiều

hoạt động như một máy bù ngang công suất phản kháng tĩnh mà dòng điện điện dung hoặc điện cảm phát ra của nó có thể được điều khiển độc lập với điện áp hệ thống điện xoay chiều

STATCOM là một trong các thiết bị điều khiển FACTS được dựa trên

bộ chuyển đổi nguồn điện áp hoặc nguồn dòng điện Hình 1.6(a) cho thấy một

sơ đồ đơn giản của STATCOM dựa trên một bộ chuyển đổi nguồn điện áp và một bộ chuyển đổi nguồn dòng điện

Đối với bộ chuyển đổi nguồn điện áp, điện áp ra xoay chiều của nó được điều khiển tương ứng với dòng điện phản kháng và tương ứng đối với

điện áp xoay chiều của bất cứ nút nào Điện áp tụ điện một chiều sẽ tự động điều chỉnh để cung cấp nguồn điện áp cho bộ chuyển đổi STATCOM có thể được thiết kế để hoạt động như là một bộ lọc hấp thụ các sóng điều hoà hệ thống

STATCOM như định nghĩa ở trên bởi IEEE là một tập hợp lớn dựa trên các thiết bị điều khiển ngang bao gồm cả nguồn công suất tác dụng hoặc nguồn một chiều bởi vậy dòng điện bơm vào có thể bao gồm cả dòng công suất tác dụng

Static Synchronous Generator (SSG): Một thiết bị chuyển đổi công suất đóng cắt tự đảo mạch tĩnh cung cấp từ một nguồn năng lượng điện thích hợp và hoạt động để đưa ra các điện áp nhiều pha được điều chỉnh, có thể được nối với hệ thống điện xoay chiều với mục đích chuyển đổi điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng

SSG là một tổ hợp của STATCOM và là một nguồn năng lượng bất kỳ

để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất Thuật ngữ, SSG, khái quát hoá các nguồn năng lượng bất kỳ được nối đến như ắc qui, nam châm siêu dẫn, tụ một

chiều dung tích lớn, máy chỉnh lưu/đổi điện khác vv Sự phân cách điện tử

đã biết như là công tắc điện thực sự cần thiết giữa nguồn năng lượng và bộ chuyển đổi Đối với một bộ chuyển đổi nguồn điện áp, nguồn năng lượng cung cấp một cách thích hợp bù nạp cho tụ qua giao diện điện tử và duy trì điện áp tụ điện theo yêu cầu

Bên trong định nghĩa của SSG cũng có hệ thống lưu trữ năng lượng ắc quy (BESS), được IEEE định nghĩa là:

Battery Energy Storage System (BESS): Một hệ thống tích trữ năng lượng trên cơ sở hoá học sử dụng các bộ chuyển đổi nguồn điện áp ngang có khả năng điều chỉnh nhanh năng lượng được cấp đến hoặc tiêu thụ từ hệ thống xoay chiều

Hình 1.6(b) cho thấy môt sơ đồ đơn giản trong đó nguồn điện được nối tới STATCOM Đối với ứng dụng trong hệ thống truyền tải, kích cỡ đơn vị của nguồn BESS nhỏ (một vài chục MWh), và nếu mức độ chuyển đổi ngắn hạn đủ lớn, nó có thể phát công suất cỡ MW với một tỷ lệ công suất tác dụng/điện năng (MW/MWh) cao để ổn định quá độ Bộ chuyển đổi cũng có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng trong phạm vi khả năng về công suất của bộ chuyển đổi Khi không cung cấp công suất tác dụng tới hệ thống,

bộ chuyển đổi được sử dụng để nạp ắc qui theo mức độ thích hợp

Có một tập hợp khác của SSG, phù hợp với các ứng dụng trong hệ thống truyền tải là các bộ nguồn năng lượng từ siêu dẫn (SMES) được định nghĩa bởi IEEE là:

lượng điện từ siêu dẫn bao gồm các bộ chuyển đổi điện tử phát và/hoặc tiêu thụ nhanh công suất tác dụng và/hoặc công suất phản kháng hoặc điều khiển động lực dòng công suất trong một hệ thống điện xoay chiều

Vì dòng điện một chiều trong nam châm không thay đổi nhanh, công suất vào hoặc ra của nam châm đã được thay đổi do điều khiển điện áp trên nam châm với giao diện điện tử thích hợp để kết nối tới STATCOM

Static Var Compensator (SVC): Máy phát hoặc máy tiêu thụ công suất phản kháng nối rẽ nhánh có công suất phát ra của chúng đã được điều chỉnh

để chuyển đổi dòng điện dung hoặc dòng điện điện cảm để duy trì hoặc điều khiển các thông số xác định của hệ thống điện (thường là điện áp nút)

Đây là một thuật ngữ chung đối với một điện kháng điều khiển bằng thyristor hoặc đóng cắt bằng thyristor, và/hoặc tụ điện đóng cắt bằng thyristor hoặc tổ hợp của chúng (hình 1.6c) SVC dựa trên các thyristor không có cổng tắt Kháng điện được điều khiển bằng thyristor hoặc đóng cắt bằng thyristor

để tiêu thụ công suất phản kháng và tụ điện đóng cắt bằng thyristor để cung cấp công suất phản kháng SVC thường được sử dụng nhiều hơn STATCOM

do có giá thành rẻ hơn

Thyristor Controlled Reactor (TCR): Một kháng điện dọc được điều khiển bằng thyristor với điện kháng của nó được thay đổi liên tục bởi bộ điều khiển dẫn một phần của van thyristor

TCR là một bộ phận của SVC, với thời gian dẫn và cả dòng điện trong điện kháng dọc được điều khiển bởi việc đóng mở của thyristor cùng với điều khiển góc mở (hình 1.6c)

Thyristor Switched Reactor (TSR): Kháng điện dọc đóng mở bằng thyristor mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc bởi hoạt động của van thyristor tới giới hạn hoặc không dẫn

TSR (hình 1.6c) là một bộ phận của SVC TSR được tạo nên bởi một số kháng điện ngang được đóng mở vào và ra bởi các đóng mở của thyristor mà không điều khiển góc mở để thực hiện việc thay đổi theo bước đối với công suất phản kháng tiêu thụ từ hệ thống Chi phí và tổn thất khi sử dụng các thyristor không có điều khiển góc đóng mở thấp hơn, nhưng không điều khiển được liên tục

Thyristor Switched Capacitor (TSC): Một tụ điện ngang đóng cắt bằng thyristor mà điện dung của nó thay đổi theo bậc do điều khiển van thyristor đóng mở tới giới hạn hoặc không dẫn

TSC (hình 1.6c) cũng là một bộ phận của SVC trong đó các công tắc đóng mở xoay chiều dựa trên các bộ thyristor được sử dụng để đóng cắt các

bộ tụ điện ngang (không có điều khiển góc đóng mở) để tạo ra sự thay đổi theo bước đối với công suất phản kháng cung cấp tới hệ thống Không giống như các kháng điện ngang, các tụ điện ngang không thể được đóng cắt liên tục với việc điều khiển góc mở biến thiên

Các định nghĩa rộng hơn khác của các thiết bị điều khiển ngang được đưa ra bởi IEEE bao gồm:

Static Var Generator or Absorber (SVG): Một thiết bị hoặc hệ thống thi ết bị điện tĩnh có khả năng điều khiển dòng điện điện dung và/hoặc dòng điện điện cảm của hệ thống điện và bởi vậy nó phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Tổng quát nó bao gồm các điện kháng ngang điều khiển bằng thyristor và/hoặc các tụ điện ngang điều khiển bằng thyristor

SVG, như định nghĩa rộng của IEEE, là một nguồn công suất phản kháng đơn giản với các bộ điều khiển thích hợp có thể được chuyển đổi thành máy bù ngang công suất phản kháng đặc trưng hoặc đa mục đích bất kỳ Do

đó cả SVC và STATCOM là những máy phát công suất phản kháng tĩnh được trang bị với các mạch điều khiển tương ứng để thay đổi công suất phản kháng phát ra nhằm đáp ứng các đối tượng bù đặc biệt

Static Var System (SVS): Một tổ hợp của các máy bù công suất phản kháng tĩnh và đóng cắt cơ khí có đầu ra được phối kết hợp

Thyristor Controlled Braking Resistor (TCBR): Một điện trở ngang điều khiển bằng thyristor, được điều khiển để nâng cao ổn định của một hệ thống điện hoặc cực tiểu gia tốc công suất của một tổ máy trong trạng thái nhiễu loạn

TCBR bao gồm sự đóng cắt theo chu kỳ của một điện trở (thường là một điện trở tuyến tính) với việc đóng cắt bằng thyristor có điều khiển góc mở (hình 1.6d) Để giảm chi phí, TCBR có thể là thyristor đóng cắt không có điều khiển góc mở Tuy nhiên, với việc điều khiển góc mở, điều khiển mở theo nửa chu kỳ có thể được sử dụng để giảm có chọn lọc các dao động tần số thấp

1.2.4.2 Các thi ết bị điều khiển dọc

Static Synchronous Series Compensator (SSSC): Một máy bù đồng bộ tĩnh không có nguồn điện bên ngoài hoạt động như một máy bù dọc mà véc tơ điện áp đầu ra của nó vuông góc và điều khiển độc lập với dòng điện đường dây để tăng hoặc giảm điện áp dọc theo đường dây và bởi vậy mà điều khiển công suất truyền tải SSSC có thể bao gồm cả nguồn năng lượng tạm thời hoặc thiết bị tiêu thụ năng lượng để làm tăng cường tính động của hệ thống điện bằng việc thêm vào tạm thời công suất tác dụng để làm tăng hoặc giảm tức thời thành phần tổn thất điện áp tác dụng (trên điện trở) dọc theo đường dây

SSSC là một trong các thiết bị điều khiển FACTS quan trọng Nó giống như STATCOM, ngoại trừ điện áp xoay chiều đầu ra được nối dọc theo đường dây Nó có thể được dựa trên một bộ chuyển đổi nguồn điện áp (hình 1.7a) hoặc bộ chuyển đổi nguồn dòng điện Ngoài nguồn năng lượng bổ sung, SSSC chỉ có thể cung cấp một điện áp thích hợp, mà véc tơ của nó vượt trước hoặc chậm sau dòng điện đường dây một góc 90° Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến áp cũng như bộ chuyển đổi phải dẫn hoàn toàn dòng điện đường dây trừ khi bộ chuyển đổi được nối tắt trong một số sự cố đường dây nghiêm trọng

Nguồn ắc qui hoặc nguồn nam châm từ siêu dẫn cũng có thể được nối tiếp đến bộ điều khiển (hình 1.7b) để cung cấp một véc tơ điện áp có góc biến đổi dọc theo đường dây

Interline Power Flow Controller (IPFC): IPFC là một tổ hợp của hai hoặc nhiều máy bù dọc đồng bộ tĩnh được nối theo đường liên kết một chiều theo hai hướng dòng công suất tác dụng giữa các bộ nối xoay chiều của SSSC

và được điều khiển để tạo ra máy bù công suất phản kháng độc lập để điều chỉnh dòng công suất tác dụng trong mỗi đường dây và duy trì sự phân phối dòng công suất phản kháng trong các đường dây Cấu trúc của IPFC cũng có thể bao gồm một STATCOM, liên kết một chiều với IFFC, để tạo nên một máy

bù ngang công suất phản kháng và cung cấp hoặc tiêu thụ toàn bộ công suất tác dụng của tổ hợp SSSC

Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC): Là một máy bù dọc bằng tụ điện bao gồm một dãy các tụ nối tiếp được mắc song song với một kháng điện có điều chỉnh bằng thyristor để tạo nên điện kháng biến đổi trơn của bộ tụ điện bù dọc

TCSC (hình 1.7c) được dựa trên các thyristor không có cổng tắt Cũng như SSSC, nó là một thiết bị điều khiển FACTS quan trọng Điện kháng có thể thay đổi như một điện kháng có điều chỉnh bằng thyristor (TCR) được nối song song với tụ điện dọc Khi góc mở của TCR là 180°, cuộn kháng sẽ không dẫn điện và bộ tụ điện bù dọc sẽ có trở kháng bình thường của nó Khi góc mở từ 180° giảm xuống dưới 180°, trở kháng của tụ điện tăng lên Khi góc mở của TCR là 90°, cuộn kháng dẫn hoàn toàn, và trở kháng tổng mang tính cảm, bởi vì trở kháng của cuộn kháng đã được thiết kế thấp hơn nhiều so với trở kháng của tụ điện Với góc mở 90°, TCSC giúp giới hạn dòng điện sự

cố TCSC có thể là một thiết bị đơn, công suất lớn, hoặc có thể bao gồm một

số các tụ điện bằng nhau hoặc khác nhau về dung lượng được nối với nhau để đạt được hiệu quả bù tốt nhất

Thyristor-Switched Series Capacitor (TSSC): Máy bù dọc bằng tụ điện bao gồm dãy các tụ điện nối tiếp được mắc song song với một điện kháng đóng cắt bằng thyristor để tạo nên bộ điều khiển theo bước của bộ điện kháng của tụ điện nối tiếp

Trở kháng của tụ điện được điều khiển liên tục bằng việc đóng cắt kháng điện với góc mở 90° hoặc 180° mà không điều khiển góc mở để giảm chi phí của các bộ điều khiển (hình 1.7c)

Thyristor-Controlled Series Reactor (TCSR): M ột máy bù dọc bằng điện kháng bao gồm một cuộn kháng dọc mắc song song với một kháng điện

có điều khiển bằng thyristor để tạo ra điện kháng của bộ kháng điện dọc biến đổi trơn

Khi góc mở của thyristor để điều khiển kháng điện bằng 180°, kháng điện này sẽ không dẫn điện và cuộn kháng không được điều chỉnh hoạt động như một thiết bị giới hạn dòng điện sự cố (hình 1.7d) Khi góc giảm xuống dưới 180°, điện kháng của mạch giảm và đến khi góc mở là 90°, điện kháng của mạch là tổ hợp của hai kháng điện mắc song song Như đối với TCSC, TCSR có thể là một thiết bị đơn công suất lớn hoặc một vài thiết bị công suất nhỏ nối tiếp với nhau

kháng điện bao gồm một cuộn kháng dọc được mắc song song với một cuộn kháng được điều khiển đóng cắt bằng thyristor để tạo ra bộ điều khiển theo bước điện kháng của cuộn kháng dọc

Khác với TCSR, thyristor trong TSSR đóng cắt hoàn toàn (không có điều khiển góc mở) để tạo thành tổ hợp điện kháng dọc thay đổi theo bước (hình 1.7d)

Unified Power Flow Controller (UPFC): M ột tổ hợp của máy bù đồng

b ộ tĩnh (STATCOM) và một máy bù dọc tĩnh (SSSC) liên kết với nhau bằng đường dẫn một chiều, cho phép dòng công suất tác dụng chuyển đổi giữa các đầu ra của SSSC và đầu ra của STATCOM được điều khiển để tạo ra thiết bị

bù d ọc đồng thời công suất tác dụng và phản kháng của đường dây mà không

có ngu ồn điện bên ngoaì UPFC, được xem như là nguồn điện áp dọc không

kh ống chế góc, có thể điều khiển đồng thời hoặc có chọn lọc điện áp, điện kháng và góc c ủa đường dây truyền tải hoặc công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây UPFC cũng có thể tạo ra một máy bù ngang điện kháng có khả năng điều khiển độc lập