Xác định vị trí và dung lượng của TCSC để đảm bảo an ninh trong thị trường điện

Nhiều yếu tố chẳng hạn như: Việc nâng cấp hệ thống truyền tải không theo kịp sự tăng tải; sự tạo ra thị trường điện đã dẫn đến một số lượng giao dịch đáng kể năng lượng điện cần được tru

-

VÕ ĐỨC NHU

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TCSC ĐỂ ĐẢM BẢO AN NINH

TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành:60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

VÕ ĐỨC NHU

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG

CỦA TCSC ĐỂ ĐẢM BẢO AN NINH

TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành:60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm …

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

1 PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Chủ tịch

2 PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Phản biện 1

3 PGS TS LÊ MINH PHƯƠNG Phản biện 2

4 TS VÕ HOÀNG DUY Ủy viên

5 TS ĐẶNG XUÂN KIÊN Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày11 tháng 11 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ ĐỨC NHU Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 22/02/1974 Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1341830059

I- Tên đề tài:

Xác định vị trí và dung lượng của TCSC để đảm bảo an ninh trong thị trường

điện

II- Nhiệm vụ và nội dung:

 Tìm hiểu giải pháp chống nghẽn mạch trong thị trường điện

 Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC

 Áp dụng bài toán OPF để quản lý nghẽn mạch trong thị trường điện sử dụng

TCSC (Vị trí đặt và dung lượng) Giảm thiểu không gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC

bằng phương pháp mặt cắt tối thiểu Xác định dung lượng TCSC phù hợp để nâng

cao khả năng tải chống nghẽn mạch hệ thống điện

 Ứng dụng thực tế và so sánh với các ví dụ mẫu

III- Ngày giao nhiệm vụ: 26/05/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 26/11/2015

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

VÕ ĐỨC NHU

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân:

- PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn khoa học và

tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

- Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM

- Ban Giám Hiệu và các Thầy Cô đồng nghiệp Trường Cao đẳng Điện lực Tp.HCM đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành khóa học

- Và tất cả các anh, các bạn học viên cùng lớp, những người thân đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến, động viên tôi trong suốt thời gian học tập

Trân trọng

Tp.HCM, ngày 11 tháng 11 năm 2015

VÕ ĐỨC NHU

TÓM TẮT

Trên thế giới quá trình cải tổ và cơ cấu lại ngành điện đã và đang diễn ra ở nhiều nước phát triển Ở các nước này, ngành công nghiệp điện theo xu hướng hướng cạnh tranh và thị trường điện đang dần thay thế các phương pháp vận hành truyền thống Mục tiêu của thị trường điện chính là giảm giá điện thông qua sự cạnh tranh, nâng cao hiệu quả hoạt động và hiệu quả đầu tư của các công ty Điện lực Quốc gia (hầu hết là sở hữu Nhà nước), tăng cường tính cạnh tranh ở cả 3 khâu: sản xuất, bán buôn và bán lẻ điện năng bằng cách thiết lập thị trường điện và tư nhân hóa một hay nhiều bộ phận của Công

ty Điện lực Quốc gia Kết quả cho thấy đây là một tiến bộ của khoa học quản lý trong ngành năng lượng Bởi vì, thị trường điện tạo ra môi trường kinh doanh cạnh tranh bình đẳng giữa các doanh nghiệp và là giải pháp hữu hiệu huy động vốn trong việc đầu tư xây dựng nguồn cũng như hệ thống truyền tải điện

Xu hướng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc sang thị trường điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Thị trường điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nước và cho thấy những ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống Tuy nhiên, nó cũng tạo ra nhiều thách thức cho người vận hành hệ thống điện để đạt được lợi nhuận kinh tế và an ninh

Ở Việt Nam, lộ trình cho việc áp dụng thị trường điện đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Hiện nay, đang áp dụng những bước thí điểm và sau đó tiến tới xây dựng một thị trường điện cạnh tranh hoàn toàn Thị trường điện là một vấn đề rất mới đối với Việt Nam, do vậy cần thiết phải có những nghiên cứu về thị trường điện, từ đó áp dụng một cách linh hoạt, hợp lý để từng bước xây dựng thị trường điện Việt Nam thích hợp trong từng giai đoạn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 2

1.3 Phương pháp giải quyết 3

1.4 Giới hạn của đề tài 3

1.5 Điểm mới của luận văn 3

1.6 Phạm vi ứng dụng 3

1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài 3

1.8 Bố cục của luận văn 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN, NGHẼN MẠCH TRUYỀN TẢI VÀ THIẾT BỊ FACTS 4

2.1 Giới thiệu 4

2.2 Các mô hình thị trường điện 4

2.2.1 Mô hình thị trường điện thế giới 4 2.2.2 Mô hình thị trường điện Việt Nam 6

2.3 Những vấn đề về truyền tải điện trong thị trường điện 7

2.4 Nghẽn mạch truyền tải trong thị trường điện 9

2.4.1 Đặt vấn đề 9

2.4.2 Xác định nghẽn mạch 9

2.4.3 Ảnh hưởng của nghẽn mạch 10

2.4.4 Quản lý nghẽn mạch trong thị trường điện 10

2.5 Tổng quan thiết bị FACTS 13

2.5.1 Phân loại thiết bị FACTS 15

2.5.2 Một số thiết bị FACTS 18

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT TỐI THIỂU VÀ DÒNG CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 28

3.1 Giới thiệu 28

3.2 Cơ sở lý thuyết về mặt cắt tối thiểu và dòng công suất cực đại 29

3.2.1 Mặt cắt tối thiểu 29

3.2.2 Dòng công suất cực đại 30

3.3 Ứng dụng trong hệ thống điện 32

3.4 Khảo sát trên lưới điện bảy nút 37

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TCSC ĐỂ ĐẢM BẢO AN NINH TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN 42

4.1 Giới thiệu 42

4.2 Mô hình tĩnh của TCSC 44

4.3 Mục tiêu của bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF) 45

4.3.1 Hàm mục tiêu 45

4.3.2 Ứng dụng Matpower để giải bài toán phân bố công suất tối ưu 47

4.4 Mô phỏng trên hệ thống IEEE 50

4.4.1 Hệ thống IEEE 6 nút 50

4.4.2 Hệ thống IEEE 30 nút 56

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 63

5.1 Kết luận 63

5.2 Hướng phát triển đề tài 64

FACTS: Flexible Alternating Current Transmission System

SCOPF: Security Constraint Optimal Power Flow

TCSC: Thyristor Controller Series Capacitor

OPF: Optimal Power Flow

IOS: International Organization for Standar

LMP: Location Marginal Pricing

TCSR: Thyristor Controller Series Reactor

TSSC: Thyristor Switched Series Compensator

TSSR: Thyristor Switched Series Reactor

TCR: Thyristor Controlled Reactor

TSR: Thyristor Switched Reactor

TSC: Thyristor Switched Compensator

MSC: Mechanically Switched Compensator

STATCOM: Static Synchronous Compensator

SVC: Static Var Compensator

TCPAR: Thyristor Controller phase Angle Regulator

UPFC: Unified Power Flow Controlled

GTO: Gate Turn Off

FC: Fixed Capacitor

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

1.1 Đặt vấn đề

Xu hướng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc sang thị trường điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Thị trường điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nước và cho thấy những ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống Tuy nhiên, nó cũng tạo ra nhiều thách thức cho người vận hành hệ thống điện để đạt được lợi nhuận kinh tế và an ninh Nhiều yếu tố chẳng hạn như: Việc nâng cấp hệ thống truyền tải không theo kịp sự tăng tải; sự tạo ra thị trường điện đã dẫn đến một số lượng giao dịch đáng kể năng lượng điện cần được truyền qua khoảng cách xa; một lượng công suất không nằm trong kế hoạch phát đã được tăng lên do sự cạnh tranh giữa các nhà máy… đã làm cho mức độ an ninh hệ thống

bị yếu đi Vì vậy, an ninh hệ thống đã trở thành một trong những vấn đề quan trọng trong vận hành thị trường điện Trong những thị trường điện, an ninh được đo lường thông qua mức độ nghẽn mạch Nghẽn mạch ảnh hưởng đến ổn định và độ tin cậy

hệ thống Hơn nữa, nghẽn mạch còn ảnh hưởng trực tiếp đến các hợp đồng giao dịch và giá điện đồng thời dẫn đến việc khai thác hệ thống không còn hiệu quả, giá

cả tại một số vùng tăng lên trong khi các vùng khác giảm Do đó nghẽn mạch đã làm méo dạng thị trường Thị trường điện và các điều kiện vận hành sẽ tốt hơn nếu như an ninh hệ thống và kinh tế được tính toán tốt hơn Việc giải quyết vấn đề này được biết đến như là bài toán ràng buộc an ninh phân bố công suất tối ưu (SCOPF)

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

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

Từ những khó khăn trong quản lý, vận hành hệ thống điện và tính năng của FACTS thì việc sử dụng thiết bị FACTS trên đường dây truyền tải là rất cần thiết, trong đó việc xác định vị trí tối ưu để đấu nối thiết bị FACTS nhằm đảm bảo khả năng nhận công suất, khả năng phát công suất và khả năng truyền tải công suất trên đường dây là lớn nhất đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay

Ngoài ra việc sử dụng các thiết bị FACTS điều khiển dòng công suất trên đường dây còn được biết đến như biện pháp chống nghẽn mạch, giảm rủi ro về mất điện, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, đảm bảo lợi ích kinh tế, đồng thời tránh được tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch Một số công trình nghiên cứu cũng cho thấy rằng, việc sử dụng các thiết bị FACTS để điều khiển dòng công suất sẽ hạn chế được quá tải trên đường dây từ đó làm giảm chi phí sản xuất điện năng, tăng giá trị phúc lợi xã hội

Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây đã đạt

được, đề tài đề xuất tên “Xác định vị trí và dung lượng của TCSC để đảm bảo an

ninh trong thị trường điện” nhằm xây dựng giải thuật tìm kiếm vị trí tối ưu của

thiết bị TCSC (Thyristor Controller Series Capacitor) với mục đích xây dựng giải thuật xác định vị trí tối ưu của TCSC bằng phương pháp mặt cắt tối thiểu để cực tiểu chi phí sản xuất điện năng đồng thời đảm bảo an ninh vận hành hệ thống điện

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

- Tìm hiểu các giải pháp chống nghẽn mạch trong thị trường điện

- Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC

- Áp dụng bài toán OPF để quản lý nghẽn mạch trong thị trường điện sử dụng TCSC (vị trí đặt và dung lượng)

 Giảm thiểu không gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phương pháp mặt cắt tối thiểu

 Xác định dung lượng TCSC phù hợp để nâng cao khả năng tải chống nghẽn mạch hệ thống điện

- Ứng dụng trên lưới điện chuẩn IEEE 6 nút và IEEE 30 nút

1.3 Phương pháp giải quyết

- Giải tích và mô phỏng toán học

- Sử dụng phần mềm Matpower

1.4 Giới hạn đề tài

- Chỉ xét ổn định tĩnh không xét đến ổn định động của hệ thống điện

1.5 Điểm mới của luận văn

- Xây dựng thuật toán xác định vị trí và dung lượng của TCSC để cực tiểu chi phí vận hành và đảm bảo được an ninh hệ thống điện

1.6 Phạm vi ứng dụng

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

- Ứng dụng cho các lưới điện IEEE mẫu

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

1.7 Giá trị thực tiển của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài làm cơ sở cho việc thiết kế quy hoạch và vận hành tối ưu hệ thống điện trong thị trường điện cạnh tranh

1.8 Bố cục của luận văn

Chương 1: Giới thiệu luận văn

Chương 2: Tổng quan về thị trường điện, nghẽn mạch truyền tải và FACTS Chương 3: Phương pháp mặt cắt tối thiểu và dòng công suất cực đại

Chương 4: Xác định vị trí và dung lượng TCSC để đảm bảo an ninh trong thị trường điện

Chương 5: Kết luận

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN, NGHẼN

MẠCH TRUYỀN TẢI VÀ THIẾT BỊ FACTS

2.1 Giới thiệu

Khái niệm về thị trường điện: Cũng như các giao dịch thương mại khác, các giao dịch điện năng cũng cần có các thiết chế như: Người mua, người bán, các hợp đồng, các cơ chế quản lý thị trường, cơ cấu giá thành, người vận hành thị trường và người vận hành hệ thống

Đối với các quốc gia đang phát triển thì đang gặp phải vấn đề là phụ tải tăng nhanh kết hợp với việc quản lý hệ thống không hiệu quả, hợp lý đã làm ảnh hưởng đến khả năng nguồn tài chính để hổ trợ đầu tư trong việc cải tạo nâng cấp công suất phát điện và khả năng truyền tải Do đó nhiều quốc gia buộc phải xắp xếp lại ngành điện của họ để nâng cao hiệu quả kinh tế trong vận hành hệ thống điện

Mặt khác, ở các quốc gia phát triển, vấn đề đặt ra là phải cung cấp điện năng với giá thấp hơn và tạo điều kiện cho nhà tiêu thụ có nhiều lựa chọn hơn trong việc mua điện năng giá rẻ

Mục tiêu của việc thay đổi cách thức vận hành, nghĩa là điều tiết lại để nâng cao tính cạnh tranh và mang đến cho người tiêu thụ những chọn lựa mới và lợi ích kinh tế Dưới môi trường điều tiết, cơ cấu tổ chức ngành dọc mà điều hành tất cả các chức năng bao gồm phát điện, truyền tải, phân phối và bán lẻ bị tách ra thành các công ty riêng biệt phục vụ cho mỗi chức năng

2.2 Các mô hình thị trường điện

2.2.1 Mô hình thị trường điện thế giới

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

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

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

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

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

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

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

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

Ở mô hình 3, Cạnh tranh trên thị trường bán buôn: lĩnh vực phân phối và tiêu

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

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

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

và tiêu thụ điện năng được chia tách thêm với sự hình thành những công ty điều tiết lưới phân phối (theo vùng lãnh thổ) và nhiều công ty bán lẻ điện Thị trường bán lẻ

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

2.2.2 Mô hình thị trường điện Việt Nam

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

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

Evn là chủ sở hữu nhà nước chịu trách nhiệm với toàn bộ dây chuyền sản xuất của hệ thống điện: sản xuất – truyền tải – phân phối Khối sản xuất theo cơ chế hạch toán độc lập nhằm chủ động trong chi phí sản xuất và hạ thấp tổn thất, thi hành

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

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

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

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

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

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

Hình 2.1 Các cấp độ phát triển thị trường điện Việt Nam

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

- Vận hành hệ thống điện là điều khiển hoạt động của hệ thống điện sao cho điện năng được truyền từ các nguồn điện đến các phụ tải đúng như yêu cầu của họ với các chất lượng phục vụ đạt yêu cầu và với chi phí sản xuất và truyền tải nhỏ nhất trong điều kiện hiện có của lưới điện và hệ thống điện Hệ thống điện thông qua hệ thống điều độ giải quyết liên tục các vấn đề sau: Công suất tác dụng nguồn điện phát ra phải lớn hơn công suất yêu cầu của phụ tải; điều chỉnh liên tục công suất tác dụng phát ra của các nguồn điện để cân bằng sự biên thiên liên tục của phụ tải; phải điều chỉnh liên tục điện áp; phải dự phòng công suất tác dụng và phản

kháng đủ đáp ứng cáctrường hợp sự cố nguồn điện; khi sự cố, nguồn điện kể cả dự phòng không đủ đáp ứng phụ tải thì phải sa thải phụ tải để giữ vững hệ thống điện

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

Hình 2.2 Mô hình công ty điện lực độc quyền liên kết dọc truyền thống

Hình 2.3 Hình cấu trúc thị trường điện

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

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

Tiêu thụ

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

Từ hình 2.3 có thể thấy rằng, khách hàng tiêu thụ thực hiện việc giao dịch của họ thông qua đơn vị bán lẽ hoặc giao dịch trực tiếp với công ty phát điện, phụ thuộc vào mô hình thị trường điện những đơn vị bán điện khác nhau sẽ phân phối điện năng của họ tới khách hàng của họ (qua đơn vị bán lẽ) trên các đường dây truyền tải và phân phối được điều hành bởi ISO Nhà sản xuất, công ty truyền tải và phân phối, và đơn vị bán lẽ lien lạc với ISO Phần lớn, khách hàng lien lạc bán lẽ về nhu cầu điện năng Đơn vị bán lẻ hợp đồng với công ty phát điện và mua điện năng

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

2.4 Nghẽn mạch truyền tải trong thị trường điện

2.4.1 Đặt vấn đề

- Khái quát về nghẽn mạch: Nghẽn mạch là tên gọi hiện tượng quá tải, quá

áp và giới hạn ổn định bị vượt qua

Quản lý nghẽn mạch là một trong những thách thức trong hệ thống nhiều nhà cung cấp và nhiều nhà tiêu thụ Trong cấu trúc liên kết dọc, tất cả các khâu phát điện, truyền tải và phân phối ở trong phạm vi hệ thống quản lý năng lượng tập trung Việc phát hiện được huy động công suất nhằm mục tiêu vận hành chi phí tối thiểu hệ thống Trong hệ thống này, quản lý nghẽn mạch thường được quan tâm bằng cách xác định giải pháp điều độ tối ưu, sử dụng OPF hoặc vấn đề điều

độ kinh tế với ràng buộc an toàn Mô hình phát điện được xác định như vậy không làm quá tải đường dây

Việc này không đơn giản trong thị trường điện Giả sử trong thị trường điện, mỗi nhà tiêu thụ ở phía Nam muốn mua điện giá rẻ từ nhà máy thủy điện ở phía Bắc, các nhà cung cấp ở phía Bắc cũng muốn bán điện cho các nhà tiêu thụ ở phía Nam Nếu có nhiều kiểu mua bán như vậy sẽ dẫn đến qúa tải đường dây

2.4.2 Xác định nghẽn mạch

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

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

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

2.4.3 Ảnh hưởng của nghẽn mạch

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

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

bố công suất có thể dự báo trước Tuy nhiên trong cấu trúc thị trường điện, với việc các công ty phát điện (GenCos) cạnh tranh trong môi trường tự do kết nối vào lưới truyền tải, việc phát điện hay phân bố công suất có thể thay đổi rất nhiều trong một thời gian ngắn với tác động của thị trường Trong tình huống đó, cần thiết phải phối hợp quản lý nghẽn mạch nhăm đảm bảo hệ thống vận hành an toàn

2.4.4 Quản lý mạch trong thị trường điện

Hiệu quả thị trường được đo lường bởi phúc lợi xã hội của nó Phúc lợi xã hội là sự kết hợp của chi phí điện năng và lợi ích điện năng đối với xã hội cũng như

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

Việc sử dụng OPF và LMP đã được đưa vào thực tiển để quản lý nghẽn mạch ở một số quốc gia trên thế giới Nhà cung cấp giới thiệu hàm chi phí phát điện, được xem như hàm chào giá đến ISO với mong muốn bán lượng điện năng của họ ISO có toàn bộ mô hình lưới truyền tải và có thể thực hiện tính toán OPF

Phân bố công suất tối ưu (OPF) là kỹ thuật quan trọng nhất để đạt được các

mô hình phát điện chi phí nhỏ nhất trong một hệ thống điện với các điều kiện ràng buộc truyền tải và vận hành có sẵn Vai trò của trung tâm vận hành hệ thống độc lập (ISO) trong thị trường cạnh tranh là điều độ điện năng đáp ứng hợp đồng giữa các bên tham gia thị trường Giá nút xác định bởi OPF được sử dụng theo cách thức sau:

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

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

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

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

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

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

Ví dụ minh họa:

Trường hợp 1: Xét hệ thống 2 nút đơn giản như hình 2.4 Giả thuyết hệ thống có

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

Hình 2.4 Hệ thống 2 nút không ràng buộc

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

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

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

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

truyền tải trên đường dây giữa nút 1và nút 2

Hình 2.5 Hệ thống 2 nút bị ràng buộc Giả sử ta huy động công suất tối ưu nhằm cực tiểu tổng chi phí như trường hợp 1: nhà cung cấp G1 tại nút 1 được huy động 100MW bán cho khách hàng D2 tại nút 2 và G2 tại nút 2 không được huy động công suất Trong trường hợp này, việc giao dịch 100MW giữa G1 tại nút 1 và L2 tại nút 2 không thể thực hiện được vì

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

Để loại trừ hiện tượng quá tải này, G1 chỉ được huy động 80 MW và huy động thêm công suất của G2 với mức giá cao hơn Với việc huy động này, tổng chi phí sẽ là 1100$/h Ràng buộc giới hạn truyền tải của đường dây làm tăng thêm tổng chi phí của hệ thống là 1.1%

Về cơ bản ta có thể xử lý nghẽn mạch bằng hai phương pháp Một mặt, ta phân bố lại công suất trên đường dây truyền tải và khả năng truyền tải thực tế trên đường dây không vi phạm bất kỳ rang buộc nào Mặt khác, ta có thể xác định chi phí nghẽn mạch như là sự chênh lệch giữa chi phí đảm bảo cung cấp cho phụ tải hệ thống không xét đến bất kỳ điều kiện ràng buộc nào và chi phí cung cấp cho phụ tải không vi phạm các giới hạn hiện tại

2.5 Tổng quan thiết bị FACTS

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

và hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống điện phức tạp gồm các máy phát đồng

bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và phụ tải…và được chia thành ba khâu : sản xuất, truyền tải và tiêu thụ

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

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

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

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

 Các phụ tải phải được cung cấp điện đầy đủ

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

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

Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, hiện tại đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bị đó vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi có sự thay đổi đột ngột của hệ thống về công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Tranmission System – FACTS) đã đáp ứng yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ của hệ thống FACTS dùng để tăng khả năng điều khiển và tăng công suất truyền tải của đường dây FACTS được IEEE định nghĩa là : “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hay nhiều thông số của hệ thống đường dây truyền tải, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất.”

Qua định nghĩa FACTS, nhận thấy được tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ thống điện có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật

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

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

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

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

 Giảm chi phí đầu tư

 Tăng độ tin cây của hệ thống truyền tải

 Tăng độ ổn định của lưới

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

 Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường

2.5.1 Phân loại thiết bị FACTS

FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc) hoặc bù song song (shunt) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên

Các thiết bị FACTS có thể phân ra làm bốn loại: thiết bị điều khiển nối tiếp, thiết bị điều khiển song song, thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp, thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – song song

a Thiết bị điều khiển nối tiếp (Series Controllers)

Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

 Một số thiết bị bù nối tiếp

Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): là thiết bị mắc nối tiếp

với đường dây gồm các tụ điện được nối song song với một điện cảm và được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của thyristor

Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR): là thiết bị mắc nối tiếp với

đường dây gồm một điện kháng nối song song với một điện kháng khác và được điều khiển bằng thyristor

Thyristor Switched Series Compensator (TSSC): là thiết bị gồm một bộ tụ

được đóng mở bằng khóa thyristor

Thyristor Switched Series Reactor (TSSR): là thiết bị gồm một bộ điện

kháng được đóng mở bằng khóa thyristor

Hình 2.6 Ứng dụng của FACTS -bù nối tiếp (sơ đồ mạch)

b Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controllers)

Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai Tất cả các thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút Các đường dây truyền tải dài sinh ra các điện kháng ký sinh nối tiếp dọc đường dây

Do đó, khi truyền tải công suất lớn sẽ gây ra tổn thất điện áp trên đường dây Để bù các điện kháng ký sinh này, người ta đặt các tụ bù dọc trên đường dây và trong trường hợp này FACTS có tác dụng như một nguồn áp Hệ thống điện được nối song song với các thiết bị FACTS và trong trường hợp này FACTS đóng vai trò như một nguồn dòng

Bù song song có hai loại: bù điện dung và bù điện cảm

- Bù điện dung

Phương pháp này dùng để nâng cao hệ số công suất Khi một tải có tính cảm được nối với hệ thống, hệ số công suất sẽ bị giảm xuống do sự trễ pha của dòng điện Để bù cảm kháng này, người ta lắp một tụ điện nối song song với tải, việc này

sẽ kéo dòng điện lên sớm pha hơn so với điện áp và kết quả là hệ số công suất được nâng cao

- Bù điện cảm

Phương pháp này dùng để bù trong trường hợp đóng điện cho đường dây không tải hoặc non tải cuối đường dây Khi không tải hoặc non tải chỉ có một dòng rất nhỏ chạy trên đường dây Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây và đặc biệt đối với các đường dây dài lại có giá trị khá lớn Việc này sẽ sinh ra quá áp trên đường dây (hay còn gọi là hiệu ứng Ferranti), điện áp cuối đường dây có thể tăng gấp đôi điện áp nguồn tới (trong trường hợp đường dây rất dài) Để bù điện dung ký sinh này, người ta lắp các điện cảm song song trên dọc đường dây

 Một số thiết bị bù song song :

Thyristor Controlled Reactor (TCR): Cuộn kháng được điều khiển bằng

thyristor TCR được mắc nối tiếp với 2 van thyristor ngược chiều nhau Mỗi bộ thyristor điều khiển một pha điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục

Thyristor Switched Reactor (TSR): Cuộn kháng được đóng cắt bằng

thyristor có cấu tạo tương tự như TCR nhưng thyristor chỉ có hai trạng thái đóng hoặc mở hoàn toàn điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp

Thyristor Switched Compensator (TSC): Tụ điện được đóng cắt bằng

thyristor và điện dung đẳng trị là một giá trị nhảy cấp

Mechanically Switched Compensator (MSC): Tụ điện được đóng cắt bằng

máy cắt, MSC chỉ được dùng để bù công suất phản kháng và chỉ được đóng mở vài lần trong ngày khi hệ thống thiếu công suất phản kháng hoặc tụt áp nhiều trên đường dây

Hình 2.7 Ứng dụng của FACTS -bù song song (sơ đồ mạch)

c Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với nối tiếp (Combined series - series Controllers)

Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ nhưng có cùng cách thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp, công suất phản kháng được bù độc lập cho mỗi đường dây Tuy nhiên, công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi qua các nguồn liên kết Khả năng truyền tải công suất tác dụng của thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn để tận dụng tối đa hệ thống truyền tải

d Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với song song (Combined series - shunt Controllers)

Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp và song song riêng rẽ được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song

2.5.2 Một số thiết bị FACTS

- Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC)

SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ

công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

+ Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành)

+ Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor, các cửa đóng mở (GTO - Gate turn off)

SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính bao gồm:

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor (TCR - Thyristor Controlled Reactor):

Có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor (TSR - Thyristor Switched Reactor ): Có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC - Thyristor Switched Capacitor): Có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

- Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành Các chức năng chính của SVC bao gồm:

Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp

Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong HTĐ

Tăng cường tính ổn định của HTĐ

Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột

- Ngoài ra, SVC cũng có các chức năng mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành HTĐ như:

+ Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

+ Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

+ Giảm góc làm việc làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây và giảm tổn thất công suất và điện năng

Hình 2.8 Cấu tạo của SVC

- Thiết bị bù ngang điều khiển thyristor (STATCOM)

STATCOM là sự hoàn thiện của thiết bị bù tĩnh SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyristor và khoá đóng mở GTO

So với SVC nó có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn và không đòi hỏi diện tích lớn như SVC, đặc biệt là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn

Các tính năng của STATCOM cũng như của SVC nhưng khả năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn bao gồm:

Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong HTĐ

Tăng cường tính ổn định của HTĐ

Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột

Ngoài ra, STATCOM cũng có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:

Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự cố

Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới

và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới

Hình 2.9 Cấu tạo của STATCOM

- Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor (TCPAR)

Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới với việc ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha trên đường dây

Hình 2.10 Nguyên lý cấu tạo của TCPAR

Về mặt cấu tạo, TCPAR như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đường dây Các tính năng của TCPAR cũng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đường dây Khả năng điều chỉnh trào lưu công suất là rất cao, các tính năng của TCPAR bao gồm:

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Tăng cường tính ổn định tĩnh, tính ổn định động của HTĐ

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột

- Các khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự cố

- Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC)

Hình 2.11 Nguyên lý cấu tạo của UPFC

UPFC là một khái niệm mới với việc ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng

để điều khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các đường dây truyền tải UPFC là thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả

Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator)

- Về nguyên lý, UPFC có ba chế độ vận hành bao gồm:

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động

Chế độ 1: Chế độ điều khiển trở kháng XC

( )

Chế độ 2: Chế độ điều khiển điện áp trực giao

| | ( ) ( ) Chế độ 3: Chế độ điều khiển góc pha điện áp

| | ( ( ))

( ) ( ) Trong đó:

I2: Véc tơ dòng của UPFC

XC: Điện kháng bù

U1: Véc tơ điện áp nhận

: Góc lệch pha giữa U2 và U1

X: Điện kháng của đường dây truyền tải

: Góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối đường dây

Trong 3 chế độ vận hành trên của UPFC thì chế độ 2 và chế độ 3 có ưu điểm hơn chế độ 1 vì có thể điều khiển dòng công suất tác dụng P ngay cả khi góc pha rất nhỏ Trong chế độ 1, nếu dòng trong thành phần bù dọc (Series Compensator) giảm thì khả năng điều khiển của UPFC cũng giảm theo Hơn nữa, trong chế độ 1

và chế độ 2 công suất của thành phần bù ngang (Shunt Compensator) có thể giảm tối thiểu vì dòng công suất đi qua liên kết một chiều (DC link) gần như bằng 0

- Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC)

Cũng tương tự như phần tử SVC, phần tử TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện, nó được tổ hợp từ một hay nhiều modul TCSC Mỗi một modul bao gồm hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh van thyristor

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như các van thyristor , các khoá đóng mở GTO

Ngoài ra, TCSC cũng có một số thiết bị phụ như bộ lọc F nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau của HTĐ

 Cấu tạo của TCSC

TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp (fixed series capacitor – FC) có điện dung C được nối song song với cuộn dây điện cảm có thể điều chỉnh dòng điện bằng thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR)

Hình 2.13 Cấu tạo TCSC Ngoài ra, nó còn có các cơ chế bảo vệ như: VAR, khe hở phóng điện, máy cắt (circuit breaker CB) và dao cách ly

)]

Với √

( ) gọi là góc dẫn

Với thiết kế điện kháng ;

Với của TCR lớn hơn ta luôn có trị số điện kháng đẳng trị của TCSC mang dấu âm nghĩa là tương ứng với tụ bù dọc Khi góc cắt của TCR thay đổi từ đến , dung kháng của TCSC thay đổi liên tục đến một giá trị

âm đủ lớn

 Bảo vệ TCSC

Máy cắt MC dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có

yêu cầu hoặc sự cố Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ nên

khi dòng điện chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch, tăng, cần

phải có cơ chế chống quá áp cho tụ

Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp đầu tiên là van chống quá áp VAR là

một điện trở phi tuyến, bình thường có trị số rất lớn Khi và đạt tới

ngưỡng làm việc của VAR, điện trở của VAR giảm rất nhanh, cho phép dòng qua

VAR nhờ đó giảm điện áp dư trên tụ C

Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng VAR, trong trường hợp này khe

mồi phóng điện K sẽ hoạt động Dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K và máy biến dòng

khi tới ngưỡng tác động, Rơ le sẽ có tín hiệu đóng máy cắt MC Do đó, toàn bộ các

phần tử của TCSC và VAR được nối tắt

Khi đã nối tắt TCSC, có thể đóng dao cách ly DCL vào để nối tắt lâu dài tụ

Ngoài ra còn nhiều cơ chế khác bảo vệ cho TCSC hoạt động tốt

 Mô hình điều khiển TCSC

Khi làm việc trong HTĐ TCSC có 2 chế độ hoạt động, trong chế độ làm việc

bình thường TCSC hoạt động với trị số đặt điểm đặt có thể thay đổi theo thông

số CĐXL thông qua kênh điều khiển riêng (Power Flow Control Loop) Trong chế

độ quá độ, TCSC hoạt động theo kênh điều khiển ổn định (Stability Control Loop)

đặc trưng hoạt động của TCSC phụ thuộc hàm truyền của kênh này

Mô hình điều khiển TCSC bao gồm các khối trễ, khối lọc, khối bù pha, và

khối khuyếch đại, có thể mô tả bằng một số khâu tuyến tính như sau (theo mô hình

của chương trình PSS/E):

Hình 2.14 Mô hình điều khiển TCSC

Trong đó: T1 là thời gian trễ của khâu đo lường và chuyển đổi (0<= T1<5); T2 và T3 là hằng số của khâu bù pha (0<= T2<5; 1< T3<20), (washout) (0<=

<2); K là hệ số khuyếch đại

Hàm truyền của mô hình:

( )

Tín hiệu đầu vào của kênh ổn định hiện nay thường được chế tạo mặc định theo các lựa chọn đại lượng đo trên chính mạch có đặt TCSC, tương ứng làm giảm dao động dòng (Constant Current Control), giảm dao động góc pha (Constant Angle Control) hoặc giảm dao động công suất (Constant Power Control) của đường dây truyền tải Thực chất của các thuật toán điều khiển trên là tạo ra tín hiệu thay đổi dung dẫn TCSC tác động ngược chiều với đạo hàm các đại lượng đo Thật vậy nếu

bỏ qua quán tính (các khâu khuếch đại, dịch pha) ta có hàm truyền đẳng trị:

( )

Hay

Trong đó, q - Ký hiệu chung các tín hiệu đo đầu vào

Khi bỏ qua quán tính thay đổi điện kháng (thường nhỏ) ta có: Hay ( )