Ứng dụng giải thuật di truyền để tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện

Ứng dụng giải thuật di truyền để tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện Ứng dụng giải thuật di truyền để tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện Ứng dụng giải thuật di truyền để tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện Ứng dụng giải thuật di truyền để tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện

TÓM TẮT

Đề tài “ ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ TÍNH TOÁN TỐI

ƯU DUNG LƯỢNG BÙ CHO HỆ THỐNG ĐIỆN ” được tiến hành trong

khoảng thời gian 1 năm tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Sau thời gian nghiên cứu đề tài được triển khai và tập trung giải quyết các vấn

đề sau:

 Tìm hiểu về thuật toán di truyền (GA) và áp dụng trong tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện dựa trên nguyên tắc hệ thống mạch vòng và yêu cầu vận hành hình tia, nhằm mục đích giảm tổn thất công suất, tổn thất điện

áp, nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện

 Tìm hiểu về thiết bị bù STATCOM và ứng dụng trong hệ thống điện

 Mô phỏng hệ thống điện 14-bus ứng dụng thuật toán di truyền (GA) trong bù công suất phản kháng

 Mô phỏng hệ thống điện 14-bus ứng dụng thuật toán di truyền (GA) trong bù công suất phản kháng có kết hợp với thiết bị bù STATCOM

 Kiểm tra và so sánh độ chính xác của thuật toán trên lưới điện mẫu của IEEE (hệ thống 14-bus)

Học viên thực hiện

NGUYỄN TẤN HÙNG

ABSTRACT

Research “Applying genetic algorithm to optimize the amount of capacity compensated for the power system” was conducted at Ho Chi Minh University of

Technology and Education within the period of 1 year The research was

subsequently deployed and applied to solve the following issues:

 Understanding genetic algorithm (GA) and its application in optimizing the amount of capacity compensated for the power system by using the principles

of loop system and x-ray tube operation is aimed to reduce energy loss, voltage drop and improve the quality of electric power system

 Learning about the static synchronous compensator (STATCOM) and its application in the power system

 Simulating 14-bus power system which is applied genetic algorithm (GA) to compensate reactive power

 Simulating 14-bus power system which is applied genetic algorithm (GA) to compensate reactive power and combined with the static synchronous compensator (STATCOM)

 Checking and comparing the precision of the algorithm on the grid pattern of IEEE (14-bus power system)

Author

NGUYỄN TẤN HÙNG

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học ……… i

Lời cam đoan……… ii

Lời cảm ơn……… iii

Tóm tắt……….…iv

Mục lục ……… vi

Danh mục các chữ viết tắt……… vii

Danh sách các bảng ……….……… viii

Danh sách các hình……….…… ix

Chương 1: TỔNG QUAN……… … 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Đặt vấn đề 2

1.3 Mục tiêu đề tài 4

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

1.6 Nội dung đề tài 5

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT……… ………6

2.1 Mục tiêu và lợi ích của bù công suất phản kháng 6

2.2 Ổn định điện áp trong hệ thống điện………6

2.3 Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện ……… ……….7

2.3.1 Giới hạn điện áp ……….……… 7

2.3.2 Giới hạn nhiệt……… 8

2.3.3 Giới hạn ổn định………….……… ………… 8

Chương 3: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ TÍNH TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG BÙ CHO HỆ THỐNG ĐIỆN……… … 14

3.1. Giới thiệu giải thuật di truyền (GA) ……….14

3.2. Giới thiệu hệ thống điện 14-bus 15

3.3 Lưu đồ giải thuật ……… ……….…….16

Chương 4: BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH STATCOM VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ……… …….18

4.1 Giới thiệu về STATCOM 18

4.2 Cấu trúc và nguyên lí hoạt động cơ bản của STATCOM 20

4.2.1.Cấu trúc cơ bản của STATCOM………20

4.2.2 Nguyên lí hoạt động của STATCOM……… 21

4.3 Kết quả mô phỏng 24

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ……….……36

TÀI LIỆU THAM KHẢO………37

PHỤ LỤC……… ………38

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GO: Global Optimization

GA: Genetic Algorithms

FACTS: Flexible AC Tranmission System

STATCOML: Static Synchronous Compensator

SVC: Static Var Compensator

VSC: Voltage Source Converter

IGBT: Insulated gate bipolar transistor

PWM: Pulse Width Modulated

PI: Proportional integral

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Nhiệm vụ của các bước ……… 17

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện ……… 7

Hình 2.2: Hệ thống điện ……… …….9

Hình 2.3: Đường cong công suất - góc 10

Hình 2.4: Sự thay đổi của hệ thống ổn định quá độ và mất ổn định 11

Hình 2.5: Độ thay đổi góc của hệ thống ổn định dao động bé (a), hệ thống ổn định dao động (b) và hệ thống mất ổn định (c) 12

Hình 2.6: Giới hạn vận hành của đường dây theo các mức điện áp … ……… …13

Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống 14 - bus 15

Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật 16

Hình 4.1: Mạch điện tương đương của STATCOM 20

Hình 4.2: Cấu trúc cơ bản của STATCOM 21

Hình 4.3: Nguyên lí hoạt động của STATCOM 21

Hình 4.4: Nguyên lí bù của bộ bù tích cực 22

Hình 4.5: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù 23

Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống điện 14 nút xây dựng trên Matlab 24

Hình 4.7: Giá trị điện áp tại các nút trước khi bù 25

Hình 4.8: Giá trị điện áp tại các nút sau khi lắp đặt STATCOM tại nút 13 28

Hình 4.9: Mô hình mô phỏng các phần tử của khối của STATCOM 28

Hình 4.10: Khối điều khiển của STATCOM 29

Hình 4.11: Bên trong khối điều khiển của STATCOM 30

Hình 4.12: Bộ đo giá trị dòng điện và điện áp 31

Hình 4.13: Khâu phản hồi 31

Hình 4.14: Khâu tạo xung đồng bộ 32

Hình 4.15: Khâu khuếch đại xung 32

Hình 4.16: Thông số mô phỏng của trường hợp tải động 34

Hình 4.17: Thông số mô phỏng của điện áp 3 bus gần nhau 35

Theo thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoay chiều Hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống điện phức tạp, gồm có các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ tải…và được chia thành ba khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối

Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa các yêu cầu sau:

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

- Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định

- Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định

- Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ

- Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không bị 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 truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây Vì vậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song song), lắp 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 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 các thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng

Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho nên trình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau, có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác thì non tải và ngược lại

Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải cao áp luôn đặt trong trình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng như là quá tải đường dây, những hiện tượng nhiễu hệ thống như là hiện tượng dao động tần số, điện áp…

Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) là một trong các thuật toán trong trí tuệ nhân tạo được ứng dụng để giải các bài toán về tối ưu hóa công suất bù cho hệ thống điện Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục những nhược điểm nêu trên Chúng ta có thể kết hợp giữa thuật toán di truyền (GA) và thiết bị FACTS để nâng cao chất lượng điện năng và giảm đi các tổn thất công suất, giảm tổn thất điện áp của hệ thống

1.2 Đặt vấn đề

Hệ thống điện là một hệ thống hoàn thiện từ khâu sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Các khâu này có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và cùng quyết định đến chất lượng điện năng cũng như độ tin cậy cung cấp điện của toàn hệ thống

Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam thì tổng công suất tổn thất là 10% đến 15% điện năng sản xuất ra, trong đó tổn hao trên đường dây từ 3 – 5% Vì vậy lượng điện tổn thất trên đường dây phân phối có giá trị lớn so với tổng tổn thất điện năng Qua thống kê trên ta thấy rằng việc giảm tổn thất cho mạng phân phối là việc làm rất có ý nghĩa, vì chỉ cần giảm đi 1% tổn thất điện năng thì cũng có giá trị rất lớn Việc giảm tổn

thất điện năng góp phần làm giá thành điện năng hạ và dẫn đến hạ giá thành các sản phẩm khác có sử dụng điện để sản xuất ra sản phẩm đó và thúc đẩy kinh tế phát triển, nhu cầu phục vụ dân sinh ngày càng cao Tuy nhiên không phải việc giảm được tối thiểu tổn thất điện năng không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với việc đạt được kết quả cao trong việc vận hành kinh tế mạng phân phối Nó tùy thuộc vào các đặc điểm riêng của

hệ thống mạng phân phối đó Như vậy, giảm tổn thất điện năng trong mạng phân phối là một phần của bài toán chung nâng cao tính kinh tế trong vận hành mạng phân phối Kinh nghiệm vận hành hệ thống điện của các điện lực trên Thế giới cũng như của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho thấy rằng chất lượng của khâu phân phối điện có ảnh hưởng lớn trong việc quyết định đến chất lượng điện năng cũng như độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng Nền kinh tế càng phát triển thì nhu cầu về điện năng càng lớn Do

đó, yêu cầu về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện càng cao Nếu các yêu cầu này không được đảm bảo sẽ gây ra thiệt hại lớn về kinh tế cho cả bên bán điện và bên tiêu thụ điện, thậm chí còn có thể ảnh hưởng đến an ninh quốc gia và tính mạng con người

Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện có thể thực hiện bằng các biện pháp cụ thể như: thay thế các thiết bị cũ bằng các thiết bị mới tin cậy hơn, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế như máy phát điện Các biện pháp này tuy đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn, chỉ thích hợp áp dụng cho các phụ tải quan trọng không được phép mất điện Trong thực tế để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, lưới phân phối thường sử dụng cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở Điểm mở của mạch vòng được tính toán và lựa chọn sao cho tổn thất công suất và tổn thất điện áp trên lưới là nhỏ nhất Do đó, không những nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện mà chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng cũng được đảm bảo là tốt nhất

Tương tự như vậy, việc nâng cao chất lượng điện năng cũng có thể thực hiện bằng nhiều biện pháp hiệu quả nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn: nâng cao điện áp vận hành của

lưới điện, tăng tiết diện dây dẫn, bù kinh tế trên lưới điện, cải thiện cấu trúc và vật liệu

để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ

Trong mạng phân phối điện, tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng nhưng

sự gia tăng tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khi đó cấu trúc của mạng lại không thay đổi Từ đó, sẽ làm cho tổn thất của mạng phân phối điện tăng lên nếu cấu trúc mạng vẫn giữ nguyên Muốn giảm tổn thất người ta sẽ dùng các phương pháp như: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện… nhưng nếu làm như thế sẽ đòi hỏi phải cần đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện năng lại không đáng kể

Vì vậy, để nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện, ta có thể bù công suất phản kháng cho hệ thống để giảm tổn hao công suất và tổn thất điện áp nằm trong phạm vi cho phép

Gần đây người ta áp dụng các phương pháp nhân tạo như: giải thuật Heuristic, giải thuật mô phỏng Luyện Kim(SA), đã được áp dụng trong các hướng nghiên cứu trước nhưng độ tin cậy để tìm kiếm cấu trúc tối ưu không cao Một số phương pháp tiên tiến

áp dụng các giải thuật trong trí tuệ nhân tạo như giải thuật Gen di truyền (GA) và giải thuật Bầy Đàn (ACS), giải thuật PSO được sử dụng nhằm giải quyết bài toán này một cách nhanh chóng và cho tập nghiệm có độ chính xác cao

1.3 Mục tiêu đề tài

Dựa trên việc phân tích bài toán, khảo sát tình hình thực tế cho bài toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện, tác giả nhận thấy đây là bài toán cần thiết Ngoài ra việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc vận hành, tối ưu hóa lưới điện đang là vấn

đề được đề cập nhiều Tác giả đã khảo sát các thuật toán, tìm hiểu các ứng dụng trí tuệ nhận tạo cho các bài toán trong ngành điện, và nhận thấy việc áp dụng công nghệ thông tin vào trong các bài toán trong ngành điện là rất tốt, giải quyết nhanh Do đó, mục đích của việc nghiên cứu trong luận văn này là tác giả tìm hiểu thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) và đề xuất thuật toán áp dụng cho bài toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện Kiểm tra thuật toán với hệ thống điện 14-bus

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

 Tìm hiểu về thuật toán di truyền (GA) và áp dụng trong tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện dựa trên nguyên tắc hệ thống mạch vòng và yêu cầu vận hành hình tia, nhằm mục đích giảm tổn thất công suất, tổn thất điện áp, nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện

 Tìm hiểu về thiết bị bù STATCOM và ứng dụng trong hệ thống điện

 Mô phỏng hệ thống điện 14-bus ứng dụng thuật toán di truyền (GA) trong bù công suất phản kháng

 Mô phỏng hệ thống điện 14-bus ứng dụng thuật toán di truyền (GA) trong bù công suất phản kháng có kết hợp với thiết bị bù STATCOM

 Kiểm tra và so sánh độ chính xác của thuật toán trên một số lưới điện mẫu của IEEE (14-bus)

1.5 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu về thuật toán di truyền (GA) để xây dựng mô hình toán

 Nghiên cứu về thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM

 Từ đó, xây dựng mô hình mô phỏng việc ứng dụng thuật toán trong tính toán kết hợp với thiết bị bù STATCOM để tối ưu công suất bù của hệ thống điện

1.6 Nội dung đề tài

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Ứng dụng giải thuật di truyền để tính toán tối ưu dung lượng bù cho

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mục tiêu và lợi ích của bù công suất phản kháng

- Giảm công suất phát tại các nhà máy điện

- Giảm công suất truyền tải

- Giảm dung lượng MBA tại các trạm biến áp

- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ cực đại của hệ thống điện (do giảm ∆P), vì vậy giảm được dự trữ công suất tác dụng (hoặc tăng độ tin cậy) của hệ thống điện

- Cải thiện hệ số công suất

- Giảm tổn thất điện năng (tổn thất đồng)

- Giảm độ sụt áp và cải thiện việc điều chỉnh điện áp

- Giảm công suất trên các xuất tuyến và các phần tử liên quan

- Trì hoãn hoặc giảm bớt chi phí mở rộng nâng cấp lưới điện

- Tăng lợi nhuận

2.2 Ổn định điện áp trong hệ thống điện

Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như: ổn định góc rotor, điện áp và tần số Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình bày trong

sơ đồ sau:

Ngắn hạn Dài hạn

Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện

Khi công suất truyền tải gia tăng, điện áp ở đầu nhận cuối giảm Cuối cùng, điểm giới hạn (nose), tại điểm giới hạn công suất phản kháng của hệ thống đã được đem ra sử dụng hết, đến đây nếu gia tăng truyền tải công suất tác dụng thì sẽ dẫn đến giảm biên độ điện áp rất nhanh Trước khi đến điểm giới hạn, độ sụt áp là rất lớn làm cho tổn thất công suất phản kháng trở nên trầm trọng Chỉ bằng cách bảo vệ hệ thống khỏi bị sụp đổ điện

áp là giảm công suất phản kháng của phụ tải hoặc hỗ trợ công suất phản kháng trước khi

hệ thống đến điểm sụp đổ điện áp Các thiết bị FACTS có thể cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu để gia tăng biên độ ổn định điện áp

2.3 Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện

2.3.1 Giới hạn điện áp

Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở công suất định mức hoặc điện áp định mức Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so với mức điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng Nghiêm trọng hơn nữa là

có thể phá hủy thiết bị Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không mong muốn trên đường dây của hệ thống Điện áp rơi là nguyên nhân chính gây

nên tổn thất công suất phản kháng Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện chạy trong

hệ thống Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện hoặc các nguồn phát khác là không

đủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì điện áp sẽ bị giảm

Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức (phụ thuộc vào tiêu chuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau) Hệ thống thường yêu cầu

hỗ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hỗ trợ thường được xác định theo giới hạn truyền tải công suất

Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác dụng truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ công suất phản kháng đủ để hỗ trợ điện

2.3.3 Giới hạn ổn định

Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái cân bằng sau khi

chịu tác động của các nhiễu loạn Mất ổn định trong hệ thống điện được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ vận hành Thông thường, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau

Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đường dây song song với nhau như hình 2.2

Ta có, công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái là phụ thuộc vào góc δ

Khi xảy ra sự cố trên đường dây 1 - 2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 sẽ cắt ra, điểm ngắn

mạch được cô lập Hệ thống điện đang làm việc ổn định tại điểm góc ban đầu δ0 thì xảy

ra ngắn mạch, đường công suất của hệ thống bị sự cố giảm thấp đột ngột do tổng trở của

đường dây tăng lên, góc δ = δ0 , hệ thống bảo vệ rơle cắt nhanh sự cố tại điểm máy cắt

để cắt nhanh Tại điểm 3 do công suất điện PĐ lớn hơn công suất cơ PM của tua-bin nên máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và trở về lại điểm xác lập một trạng thái ổn

định mới với góc δ ss Nếu tại điểm 4 máy phát không được hãm tốc và tiếp tục trượt dài nữa thì làm cho mất ổn định đồng bộ

Vậy giới hạn ổn định của hệ thống điện là phần diện tích Stt phải nhỏ hơn phần diện tích hãm tốc Sht Phân tích góc ổn định công suất hệ thống điện là nghiên cứu đặc tính động của hệ thống điện Đặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị của dòng công suất, điện áp, góc và tần số sau khi hệ thống chịu tác động của những nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ Ổn định góc công suất được chia thành hai dạng: Ổn định quá độ và ổn định dao động bé

Hình 2.3: Đường cong công suất – góc

2.3.3.1 Ổn định quá độ

Ổn định quá độ được định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì sự đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn Nó được xác định bằng cách hệ thống đáp ứng được các nhiễu loạn lớn Hệ thống được gọi là ổn định quá độ nếu nó có thể vượt qua được nhiễu loạn ban đầu và trở lại ổn định, ngược lại hệ thống là không ổn định nếu nó không thể vượt qua được

Đối với một hệ thống ổn định, khi bất ngờ xảy ra một nhiễu loạn lớn, giá trị góc

hệ thống bắt đầu tăng nhưng đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm, làm cho hệ thống ổn định quá độ Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phức tạp của góc rotor máy phát Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu của hệ thống và độ lớn của nhiễu loạn

Để minh họa sự ổn định và mất ổn định của hệ thống, xem Hình 2.4, hình này thể hiện góc lệch của hai hệ thống: ổn định quá độ và không ổn định, sau một nhiễu loạn lớn xảy

ra

Hình 2.4: Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống

mất ổn định (b) Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để có lợi cho ổn định quá độ Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và nhà máy ở xa hầu như dễ bị mất ổn định quá độ Phương pháp để phân tích giới hạn quá độ là nghiên cứu

sự thay đổi góc rotor của tất cả các máy phát điện đồng bộ kết nối đến hệ thống sau khi

hệ thống bị tác động bởi các nhiễu loạn lớn Kỹ thuật sử dụng phần mềm máy tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ thống

2.3.3.2 Ổn định dao động bé

Ổn định dao động bé hoặc ổn định nhiễu loạn là khả năng của của hệ thống điện trở lại ổn định sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn bé Ổn định dao động là đặc tính liên quan đến biên độ và độ dài của các nhiễu loạn hệ thống điện Nhiễu loạn điện áp, tần số, góc và dòng công suất có thể được kích thích bởi nhiều sự kiện khác nhau Điều này có thể trở thành vấn đề phức tạp khi hệ thống kích từ của máy phát bị sự cố Các nhiễu loạn đó có thể phát triển thành lớn đến nổi hệ thống trở thành nhiễu loạn mất ổn định

Dao động mất ổn định có thế bắt đầu khi biên độ dao động công suất nhỏ và vô hại Tuy nhiên, dao động này có thể phát triển lớn lên đến nổi hệ thống bắt đầu tách ra Đường dây truyền tải và máy phát điện có thể bị cắt do các dao động này Dao động mất

ổn định có thể kéo dài hàng giờ hoặc nó có thể xảy ra trong một vài giây sau khi có nhiễu loạn lớn Hệ thống có thể phục hồi từ các nhiễu loạn lớn nhưng nó cũng có thể dần dần chuyển sang giai đoạn dao động lớn và trở thành dao động mất ổn định Hình 2.5 thể hiện hệ thống, lần lượt là dao động bé ổn định, dao động ổn định và mất ổn định

Hình 2.5: Độ thay đổi góc của hệ thống ổn định dao động bé (a), hệ thống ổn định dao

động (b) và hệ thống mất ổn định (c)

Giới hạn nhiệt luôn luôn cao nhất và được quan tâm đối với các đường dây truyền tải đến 100 dặm Giới hạn điện áp luôn cao hơn giới hạn ổn định (quá độ hoặc dao động bé), giới hạn ổn định điện áp được quan tâm đối với các đường dây truyền tải có độ dài trung bình từ 100 đến 300 dặm Các giới hạn biến đổi ổn định động là thấp nhất và liên quan đến các đường dây truyền tải có độ dài hơn 300 dặm Nâng cao công sức truyền tải, nghĩa là di chuyển các giới hạn khác của hệ thống điện sang giới hạn nhiệt

Hình 2.6: Giới hạn vận hành của đường dây theo các mức điện áp

Chương 3

ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ TÍNH TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG BÙ CHO HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1 Giới thiệu giải thuật di truyền (GA)

Thuật toán di truyền (Genetic Algorithms - GAs) do John Holland và các đồng nghiệp

của ông phát triển trong năm 1975 Dựa trên cơ chế chọn lọc tự nhiên và di truyền học

tự nhiên, GA bắt đầu với một tập hợp của các chuỗi để mô tả cho các giải pháp khả thi

và tạo ra các quần thể kế tiếp của các chuỗi bằng cách kết hợp sự chọn lọc tự nhiên của cấu trúc phù hợp nhất trong các cấu trúc chuỗi

Thuật toán di truyền được ứng dụng đầu tiên trong hai lĩnh vực chính: tối ưu hóa

và học tập của máy Trong lĩnh vực tối ưu hóa thuật toán di truyền được phát triển nhanh chóng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: tối ưu hàm, xử lý ảnh, bài toán hành trình người bán hàng, nhận dạng hệ thống và điều khiển Thuật toán di truyền cũng như các thuật toán tiến hóa nói chung, hình thành dựa trên quan niệm cho rằng, quá trình tiến hóa tự nhiên là quá trình hoàn hảo nhất, hợp lý nhất và tự nó đã mang tính tối

ưu Quan niệm này có thể xem như một tiên đề đúng, không chứng minh được, nhưng phù hợp với thực tế khách quan Quá trình tiến hóa thể hiện tính tối ưu ở chổ thế hệ sau bao giờ cũng tốt hơn (phát triển hơn, hoàn thiện hơn) thế hệ trước bởi tính kế thừa và đấu tranh sinh tồn

Đề xuất ban đầu của Schaffer vào năm 1984 và được thúc đẩy từ kết luận của một hội thảo về GA ở Goldberg vào năm 1989 [6], một số nghiên cứu trên MO đã được thực hiện và triển khai áp dụng thành công trong các lĩnh vực MO khác nhau Khác với tối ưu hóa và giải thuật tìm kiếm bình thường, GA bắt đầu tìm kiếm từ một quần thể của các giải pháp Do đó, nhiều giải pháp không tồi có thể được tìm thấy trong một lần thực hiện

GA duy nhất Năm 1998, Das và Patvardhan [10] trình bày một phương pháp tiếp cận

dựa trên GA để giải quyết vấn đề điều độ tải kinh tế có ràng buộc khí thải

Thuật toán di truyền (GA) là kỹ thuật giúp giải quyết vấn đề bắt chước theo sự tiến hóa của con người hay của sinh vật nói chung trong điều kiện quy định sẵn của môi trường Phương tiện để thực hiện cách giải quyết vấn đề này là chương trình tin học gồm các thi hành từ việc chọn giải pháp tiêu biểu cho vấn đề, cho đến việc chọn các hàm số thích nghi hơn Như vậy, GA không chú trọng đến giải pháp duy nhất và chính xác như phương pháp cổ điển, trái lại GA xét đến toàn bộ các giải pháp và chọn giải pháp tương đối tốt nhất nếu không nối là tối ưu Thuật toán di truyền (GA) dựa trên tính ngẫu nhiên nhưng có hướng dẫn bởi hàm thích nghi, do đó không có nghĩa là đoán mò như nhiều người hiểu lầm mà trái lại GA còn có một nền tảng toán học vững chắc

3.2 Giới thiệu hệ thống điện 14-bus

Hệ thống điện 14-bus được ứng dụng thuật toán di truyền để tính tối ưu công suất

bù cho hệ thống gồm các bus như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống 14-bus

 Bus 1: đấu vào máy biến áp và máy biến áp được đấu vào máy phát điện 1

 Bus 2: đấu vào máy biến áp và máy biến áp được đấu vào máy phát điện 2

 Bus 3: đấu vào máy biến áp và máy biến áp được đấu vào máy bù đồng bộ 1

 Bus 6: đấu vào máy biến áp và máy biến áp được đấu vào máy bù đồng bộ 2

 Bus 8: đấu vào máy biến áp và máy biến áp được đấu vào máy bù đồng bộ 3

 Các Bus còn lại của hệ thống được đấu với tải cảm (L), các tải R – L mắc nối tiếp hoặc đấu với các tải R – L – C mắc nối tiếp

3.3 Lưu đồ giải thuật

Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật

Nhận các tham số của bài toán

Khởi tạo quần thể ban đầu

Kết thúc

Bắt đầu

Lựa chọn giải pháp tốt

nhất

Đúng Sai

Chọn lọc

Bảng 3.1: Nhiệm vụ của các bước

Bắt đầu Nhập các tham số cho thuật toán

Khởi tạo Sinh ngẫu nhiên một quần thể gồm n cá thể (là n

lời giải cho bài toán)

Quần thể mới Tạo quần thể mới bằng cách lặp lại các bước cho

đến khi quần thể mới hoàn thành Tính giá trị thích nghi Ước lượng độ thích nghi eval(x) của mỗi cá thể

Kiểm tra Kiểm tra điều kiện kết thúc giải thuật

Chọn lọc

Chọn hai cá thể bố mẹ từ quần thể cũ theo độ thích nghi của chúng(cá thể có độ thích nghi càng cao thì càng có nhiều khả năng được chọn)

Lai ghép Với một xác suất lai ghép được chọn, lai ghép hai

Chương 4

BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH STATCOM VÀ ỨNG DỤNG

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

4.1 Giới thiệu về STATCOM

STATCOM (Static Synchronous Compensator) là thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSC-Voltage Source Converter), được định nghĩa là một bộ tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp và hoạt động tạo ra một bộ điều chỉnh điện áp nhiều pha Thiết bị này được dùng trong lưới điện xoay chiều 3 pha để thực hiện điều chỉnh, điều khiển một cách độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng Để điều khiển

bù công suất phản kháng trong hệ thống điện thường sử dụng cấu hình STATCOM biến đổi STATCOM đã được định nghĩa với ba chức năng hoạt động Chức năng đầu tiên là

bộ chuyển đổi tĩnh: nguyên lý dựa trên các thiết bị chuyển đổi không có thành phần quay, chức năng thứ hai là thiết bị đồng bộ: tương tự như một máy đồng bộ lý tưởng với điện

áp ba pha hình sin tại tần số cơ bản và chức năng thứ ba là khả năng bù: cung cấp bù công suất phản kháng [11], [12] Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất ở dạng một bộ biến đổi điện tạo nguồn điện áp để tổng hợp điện áp đầu ra Vc từ nguồn điện áp một chiều Điện áp xoay chiều Vc của bộ biến đổi điện được đấu nối với hệ thống điện (được thể hiện bằng điện áp hệ thống Vs và điện kháng hệ thống Xs), thông qua điện kháng đệm Xc Trên hình 5.1(a) thể hiện mạch điện tương đương một pha của STATCOM

Bằng cách khống chế điện áp Vc của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống

Vs nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên Ngược lại, nếu điều khiển điện áp Vc thấp hơn điện

áp hệ thống Vs, thì dòng điện và dòng công suất chạy từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện