(Luận văn thạc sĩ) giải tích hệ thống điện truyền tải kết hợp với UPFC dùng giải thuật LFB

Không những vậy, việc truyền tải điện năng bằng các đường dây dài, điện áp cao và siêu cao làm xuất hiện một lượng công suất phản kháng lớn do bản thân đường dây sinh ra trong quá trình

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUỐC THỚI

GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN TRUYỂN TẢI KẾT HỢP

VỚI UPFC DÙNG GIẢI THUẬT LFB

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202

S K C0 0 5 2 1 4

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Quê quán: Mang Thít, Vĩnh Long Dân tộc: Kinh

Chổ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp Tân Qui, Tân Long Hội, Mang Thít, Vĩnh Long

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 10/2013 Nơi học: Trường đại học Trà Vinh, tỉnh Trà Vinh

Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật điện

Tên đồ án: Mô hình điều khiển phân loại sản phẩm dùng S7 - 200

Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Trường đại học Trà Vinh

Người hướng dẫn: Mã Học Nhân

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Tôi là Nguyễn Quốc Thới học viên lớp Kỹ thuật điện khóa 2015 – 2017 sau một năm rưởi học tập và nguyên cứu tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ

Chí Minh Tôi quyết định lựa chọn đề tài: “Giải tích hệ thống điện truyền tải kết

hợp với UPFC dùng giải thuật LFB”

Tôi xin cam đoan bản luận văn này thực hiện với chính bản thân tôi dưới sự

hướng dẫn của thầy TS HỒ VĂN HIẾN

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

Tp Hồ Chí Minh, Ngày….tháng….năm 201…

( ký tên và ghi rõ họ tên)

Trước hết, Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS HỒ VĂN HIẾN, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức chuyên môn

và kinh nghiệm để tôi xây dựng, thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy, Cô của Trường đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh và Trường đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã trang

bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích, đặc biệt hơn là những Thầy, Cô trong Khoa Điện – Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi và h trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập c ng như trong thời gian làm luận văn này

Tôi c ng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và tất cả các bạn lớp Kỹ Thuật Điện KDD15B đã h trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành kh a học

Trong Luận Văn này đã ứng dụng một phương pháp mới Line Flow Based (LFB) trong việc tính toán phân bố công suất trên lưới điện truyền tải Phương pháp LFB tính toán dựa trên các phương trình dòng công suất và phương trình điện áp nhánh

Nghiên cứu được thực hiện trên lưới điện tiêu chuẩn 5 nút (với 1 UPFC trên lưới điện) Thiết bị UPFC có khả năng điều chỉnh công suất tác dụng, công suất phản kháng và điện áp Vì vậy, việc lắp đặt UPFC ở một số nút quan trọng là giải pháp hữu hiệu để tăng khả năng truyền tải và phân phối của lưới điện Nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện Điều này c nghĩa về mặt tái cấu tr c hệ thống và điều khiển trong thị trường điện cạnh tranh

Mô phỏng được thực hiện trong phần mềm Matlab Với những kết quả thu được từ việc sử dụng phương pháp LFB, có và không có UPFC Thông qua những yêu cầu khi c UPFC trong mạng điện, để đánh giá sự tác động của thiết bị này đến dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng trên đường dây và độ lớn điện áp trên các nút

So sánh kết quả phương pháp LFB với phương pháp Newton-Raphson ở từng trường hợp cụ thể, để đánh giá mức độ chính xác và nêu lên những ưu điểm của phương pháp LFB

In this thesis, a new method, Line Flow Based (LFB), is applied to calculate the power distribution on the transmission network Moreover the LFB method mostly calculates based on the power flow equations and branching voltage equations

Besides that the researches are carried on standard 5 bus network (with 1 UPFC on network) The UPFC device is capable of adjusting the active power, reactive power and voltage profile Therefore, the installation of UPFC at some important buses is an effective solution to increase the transmission and distribution capacity of the network The thesis aims are to open up a new direction to apply the adjustment methods and control the operation of the power system

In addition, simulation is done in Matlab software The use of the LFB method, with and without the UPFC, obtains the exact results We should set the requirements for electric network and then set up UPFC in this network in order to analyze the impact of UPFC to the active power, reactive power and voltage magnitude on the buses

Finally, we compare the result of the LFB method with the result of the Newton- Raphson method so as to evaluate the exact level of the LFB method and point out the advantages of the LFB method



Trang tự Trang

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

DANH MỤC CÁC BẢNG x

C ng GI I THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 4

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

1.6 Các bước thực hiện 6

1.7 Bố cục luận văn 6

C ng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Điều khiển hệ thống điện 7

2.1.1 Tổng quan 7

2.1.2 Cơ sở kiến thức 8

2.1.3 Điều khiển phân bố công suất 10

2.2 Các thiết bị facts trong hệ thống điện 11

2.2.1 Giới thiệu và phân loại các thiết bị FACTS 11

2.2.2 VSC ( Static var Compensator) 14

2.2.3 STATCOM (Static Synchronous Compensator) 16

2.2.4 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) 17

2.2.5 SSSC (Static Synchronous Series Compensator) 18

2.2.6 UPFC ( Unified Power Flow Controller) 18

3.2 Các khái niệm phân bố công suất tổng quát 26

3.2.1 Công thức cơ bản 26

3.2.2 Các biến số và phân loại thanh cái 29

3.3 Các phương pháp giải bài toán phân bố công suất 30

3.4 Các chương trình tính toán phân bố công suất 30

3.5 Chuẩn bị số liệu và phân bố công suất bằng phương pháp gauss – seidel 32

3.6 Phương pháp newton – raphson 33

C ng 4 GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ C NG SUẤT LFB TR N MẠNG ĐIỆN N ẾT HỢP UPFC 34

4.1 Giới thiệu 34

4.2 Phương pháp giải bài toán phân bố công suất bằng thuật toán Line Flow Based (LFB)……… 34

4.2.1 Phương trình cân bằng công suất 34

4.2.2 Phương trình cân bằng điện áp n t 36

4.2.4 Phương pháp tổng trở mạch vòng 38

4.2.5 Lưu đồ giải thuật phương pháp LFB trong mạng điện kín 40

4.3 p dụng thuật toán lfb tính phân bố công suất khi chưa c sự tham gia của thiết bị UPFC, sử dụng phần mềm Matlap 43

4.3.1 Xét trên mạng điện mẫu 5 n t như sau 43

4.3.2 Kiểm tra kết quả phân bố công suất mạng điện 5 n t như hình 4.5 bằng phương pháp Newton – Raphson 47

4.3.3 Nhận x t 49

4.4 p dụng thuật toán lfb tính phân bố công suất khi c sự tham gia của thiết bị UPFC, sử dụng phần mềm Matlap 49

4.4.1 Xét mạng điện 5 n t c đặt UPFC 49

4.4.2 Nhận x t 56

C ng 5 ẾT LUẬN VÀ HƯ NG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 58

5.1 Kết luận 58

5.2 Hướng nghiên cứu phát triển 59

5.3 Lời kết 59

PHỤ LỤC……….60

TÀI LIỆU THAM HẢO 112

FACTS Flexible Alternating Current Transmission System

STATCOM Static Synchronous Compensator

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

SSSC Static Synchronous Series Compensator

DANH MỤC CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Mô hình đơn giản hệ thống hình tia hai thanh cái………8

Hình 2.2: Tổng quan về thiết bị FACTS……… 12

Hình 2.3 Một vài ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện……… 14

Hình 2.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VSC……… 15

Hình 2.5: Cấu hình của 1 STATCOM……… 16

Hình 2.6: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC……… 17

Hình 2.7: Cấu hình của 1 SSSC……….18

Hình 2.8: Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất(UPFC)……… 19

Hình 2.9: Sơ đồ mạch tương đương của UPFC ……….21

H n 2 0 Mô hình t nh t n của UPFC……….23

Hình 3.1: Tổng trở tương đương……… 27

Hình 3.2: Cân bằng công suất tại thanh cái k:

(a) công suất tác dụng, và (b) công suất phản kháng……… 29

Hình 4.1: Sơ đồ thay thế của các thiết bị FACTS……… 36

H n 4.2 Hệ thống ụ……… 37

H n 4.3 Triển hai cấ tr c c ạng điện n……….……… 39

Hình 4.4: Lư đồ giải bài toán bằng phương ph p LFB trong mạng điện n… 42

Hình 4.5: Sơ đồ mạng điện 5 n t……… 43

Hình 4.6: Sơ đồ mạng điện 5 nút an đ ……….49

Hình 4.7: Sơ đồ mạng điện c t đến c đ t UPFC gi a n t

tương đương ề t công ất ở n t ………50

H n 4.8: Lư đồ giải th t phương ph p LFB tr ng ạng điện n c UPFC… 53

H n 4.9: Mạng điện 5 n t c UPFC……….55

DANH MỤC CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 4.1: D liệu các thanh cái của mạng điện 5 nút……… 43 Bảng 4.2: D liệ c c đường dây của mạng điện 5 n t……… 44 Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng điện áp và công suất nút,

Bảng 4.8: Kết ả ô phỏng điện p công ất n t tr ng ạng điện 5 n t

UPFC đ t gi a n t tr n cơ ản 100KVA, 110KV………5

Bảng 4.9: Kết ả ng công ất nh nh tổn thất tr ng ạng điện 5 n t UPFC

đ t gi a n t tr n cơ ản KV 110KV ………5

C ng

GI I THIỆU TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Nhu cầu về nguồn năng lượng điện ngày càng tăng ở nhiều quốc gia, tuy

nhiên với nhiều l do khác nhau nên việc nâng cấp lưới điện, cấu tr c lưới điện và đặc biệt là xây dựng đường dây truyền tải điện mới gặp các vấn đề kh khăn về kinh

tế, kỹ thuật, môi trường…dẫn đến việc phát triển lưới điện không đáp ứng kịp với nhu cầu sử dụng điện năng Không những vậy, việc truyền tải điện năng bằng các đường dây dài, điện áp cao và siêu cao làm xuất hiện một lượng công suất phản kháng lớn do bản thân đường dây sinh ra trong quá trình vận hành, điều này đã gây ảnh hưởng ít nhiều đến các chế độ làm việc của máy phát, thay đổi phân bố công suất và điện áp trong các hệ thống điện Bên cạnh đ , do tính chất tiêu thụ điện ở các khu vực trong từng thời điểm khác nhau cho nên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải c ng liên tục thay đổi theo thời gian đều này cho thấy tại một thời điểm trên hệ thống s c những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác non tải và ngược lại

Mặt khác điện áp các nút hệ thống không bằng nhau, chúng phụ thuộc điều kiện cân bằng công suất phản kháng theo từng khu vực Như vậy nguồn công suất phản kháng cần được lắp đặt phân bố và điều chỉnh theo từng khu vực Điều này giải thích vì sao, ngoài các máy phát điện cần phải có một số lượng lớn các thiết bị sản xuất và tiêu thụ công suất phản kháng: Máy bù đồng bộ, tụ điện, kháng điện

Ch ng được lắp đặt và điều chỉnh ở nhiều vị trí trong lưới truyền tải và phân phối điện (gọi là các thiết bị bù công suất phản kháng)

Trước đây, việc điều chỉnh công suất phản kháng của các thiết bị bù thường được thực hiện đơn giản: Thay đổi từng nấc (nhờ đ ng cắt bằng máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi kích từ (trong máy bù đồng bộ) Chúng chỉ cho ph p điều chỉnh thô hoặc theo tốc độ chậm Để khắc phục những nhược điểm nêu trên nhằm quản lý các

hệ thống điện một cách hiệu quả, đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng Kỹ thuật Thyristor công suất lớn đ mở ra những khả năng mới, trong đ việc ra đời và ứng dụng các thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) [5]

Những thiết bị FACTS này có một vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng công suất nhánh và nâng cao độ biến dạng điện áp của mạng điện Những thiết

bị mới này có thể làm tăng độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống truyền tải và phân phối Chúng cho thấy sự linh hoạt và điều khiển tốt hơn [8] Những phương pháp giải tích phân bố công suất được sử dụng để khảo sát độ linh hoạt của ch ng thường

là phương pháp Newton-Raphson và Gauss Seidel

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là xây dựng giải thuật dựa trên phương pháp Line Flow Based (LFB) [8], là phương pháp phân bố công suất dựa trên cơ sở dòng nhánh, để phân tích một hệ thống phân bố công suất trên mạng điện kín với sự kết hợp hiệu quả của thiết bị Unified Power Flow Controller (UPFC) [13] Thông qua những dữ liệu được yêu cầu đặt ra trước ở bài toán phân bố công suất như điện

áp ở n t, dòng công suất trên nhánh, tương đương với trường hợp c đặt thiết bị UPFC trong mạng điện, dùng phương pháp LFB để tính phân bố công suất, sau đ kiểm tra kết quả dòng công suất trong UPFC

 Một số t i iệu v b i báo đã đ ợc công bố trong v ngo i n ớc

1 Hệ thống điện truyền tải và phân phối ( Hồ Văn Hiến, NXB ĐH QG

TP.HCM, 2005 )

Sách phục vụ cho đề tài này về các bài toán phân bố công suất giải trên phần mềm Matlap như dùng phương pháp Gauss Siedel, Newton-Raphson…

2 V n hành tối ư hệ thống điện (PGS.TS Quyền Huy Ánh, , 2012.)

Sách cung cấp cho ta một số kiến thức cơ bản về hệ thống điện của mạng điện truyền tải, phân phối, các kiến thức về mô hình và khảo sát đường dây tải điện

3 Bài báo: P Yan and A Sekar, ―Steady-state analysis of power system

having multiple FACTS devices using line-fl w-based Equations‖, IEEE, 1, January

2005

Bài báo trình bày phương pháp giải tích hệ thống điện áp dụng cho mạng truyền tải khi có sự tham gia của thiết bị FACTS dựa vào sự phân bố dòng trên các nhánh (Line flow Based) Phương pháp giải bài toán hoàn toàn thực hiện trên các phép toán ma trận Thế mạnh của phương pháp Line Flow Based là bài toán hội tụ rất nhanh, mặt khác việc khảo sác các thiết bị FACTS rất dễ dàng khi dùng thuật toán LFB bằng cách điều khiển điện kháng trên nhánh và nút

4 Bài báo: Ping Yan and Arun Sekar, ―Analysis of Radial Distribution

Systems With Embedded Series FACTS Devices Using a Fast Line Flow – Based Algorithm‖, IEEE, 4, november 2005

Bài báo này là hoàn thiện phương trình cân bằng công suất dựa trên cơ sở phân bố công suất trên các nhánh LFB trong việc giải tích mạng phân phối hình tia, trong đ các thiết bị FACTS được mắc nối tiếp và song song để nâng cao hiệu suất Phương trình LFB dùng độ lớn điện áp nút, giá trị phân bố công suất nhánh và các

ma trận hệ số tuyến tính

5 Bài báo: Ping Yan and Arun Sekar, “ A new Approach to security –

Constrained Optimal Power Flow Analysis‖ IEEE, 2001

Bài báo trình bày một phương án tối ưu về thời gian trong bài toán giải tích

hệ thống điện dựa vào dòng phân bố trên các nhánh LFB phương pháp này c thời gian hội tụ ngắn hơn và dễ dàng sử dụng hơn phương pháp Newton-Raphson và Gauss Siedel

6 Bài báo: Guang Ya Yang, Geir Hovland, Raijat Majumder and Zhao

Yang Dong, “Optimal TCSC Placement Based on Line Flow Equations via

Mixed-Integer Linear Programming‖ school of information technology & Electrical

Engineering, The University of Queensland, St Lucia, Brisbane QLD 407, Australia

Bài báo này trình bày giải thuật LFB để khảo sát thiết bị TCSC trên lưới điện truyền tải, hay n i khách hơn là tính toán phân bố công suất trên các nhánh của mạng điện và điều khiển điện áp sau nhánh đặt thiết bị TCSC

7 Luận văn Thạc sĩ: Châu Minh Thuyên, “ Điều khiển phân bố công suất

tr n lưới điện truyền tải sử dụng thiết bị UPFC ”, 08/2005

Luận văn này sử dụng thiết bị UPFC để điều khiển dòng công suất trên mạch vòng kín của hệ thống truyền tải 500KV/230KV bao gồm 5 bus Hơn thế nữa điểm mới của luận văn là xây dựng một chương trình tổng quan bao gồm một đường dây đặt giữa 2 bus trên đ c đặt thiết bị UPFC kết hợp với chương trình phân bố công suất để điều khiển phân bố công suất trên một hệ thống lớn không hạn chế số nút

8 Luận văn Thạc sĩ: Phan Châu Nam, “ Giải tích hệ thống điện phân phối

hình tia với sự tham gia của các thiết bị FACTS‖, 6/2009

Luận văn khảo sát lưới điện phân phối hình tia với sự tham gia của các thiết bị FACTS đ ng vai trò là những thiết bị bù trên lưới điện như TCSC hayVSC

Phương pháp phân bố công suất được sử dụng trong đề tài là phân bố dòng trên nhánh LFB (Line Flow Based) Thông qua kết quả đã chứng minh được thời tốc độ hội tụ nhanh hơn phương pháp Newton-Raphson và kết quả rất chính xác

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ở nước ta hiện nay trong chương trình học, việc ứng dụng tính toán luồng

công suất trên lưới điện chủ yếu dùng các phương pháp như Newton-Raphson và

Gauss Siedel… cho tốc độ hội tụ tương đối nhanh Tuy nhiên trong luận văn này tác giả muốn thay đổi một phướng pháp tính mới là phân bố công suất dựa trên cơ sở dòng, nhánh LFB, mặc khác kết quả hội tụ của phương pháp LFB củng nhanh và lại cho kết quả tối ưu, phương pháp không sử dụng ma trận Jacobian hay phương trình lượng giác, dễ dàng tính phân bố công suất khi có sử dụng các thiết bị FACTS vào mạng điện Một số nghiên cứu đã áp dụng giải thuật LFB nhưng chủ yếu là bài toán cho mạng phân phối, hình tia và việc khảo sát các thiết bị FACTS chủ yếu là TCSC hay SVC Các bài báo viết về giải thuật LFB trình bày không rõ ràng củng như chưa trình bày được cụ thể việc áp dụng giải thuật

Với những lý do trên trong luận văn này ch ng tôi xin được trình bày: “Giải

tích hệ thống điện truyền tải kết hợp với UPFC dùng giải thuật LFB” là hết sức

cần thiết và hữu ích

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu giải thuật Newton – Rapphson

- Nghiên cứu giải thuật Line Flow Based (LFB)

- Giải bài toán phân bố công suất trong lưới điện trước khi và sau khi có thiết

bị UPFC, sử dụng giải thuật LFB, dùng phương pháp Newton – Rapphson để kiểm tra kết quả thực hiện

- Áp dụng thực tế cho mạng lưới mẫu 5 nút

- Hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế với độ chính xác cao

- Xây dựng lưu đồ giải thuật LFB trước và sau khi đặt UPFC vào lưới điện

- Áp dụng tính toán trên hệ thống điện chuẩn 5 nút

- Đặt thiết bị UPFC vào lưới điện 5 nút theo yêu cầu, chưa tìm điểm tối ưu vị

trí đặt

- Do hạn chế về thời gian đồng thời chủ yếu tìm hiểu giải thuật của phương

pháp LFB nên trong luận văn này không x t đến các điều kiện làm việc khác của hệ thống như: quá độ, ngắn mạch, tối ưu vị trí đặt, số lượng thiết bị UPFC, mà chỉ

x t đến g c độ điều khiển dòng công suất ở chế độ xác lập

- Không thực hiện trên mô hình vật l cụ thể

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHI N CỨU

- Trên cơ sở lý thuyết của phương pháp LFB và các phương trình tính toán

của thiết bị UPFC, tiến hành xây dựng giải thuật toán tính toán chế độ xác lập của

hệ thống điện chưa sử dụng và sử dụng thiết bị UPFC trong mạng điện

- Kiểm tra và đánh giá kết quả nghiên cứu

3 Tìm hiểu lý thuyết về thiết bị FACTS UPFC

4 Nghiên cứu sử dụng và lập trình bằng phần mềm Matlab

5 Tính toán phân bố công suất dựa trên phương pháp LFB và so sánh với phương pháp Newton-Raphson trên mạng điện mẫu đễ kiểm tra tính đ ng đắn của phương pháp mới này

1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày theo các phần sau:

C ng 1: Giới thiệu tổng quan

C ng 2: Cơ sở l thuyết

C ng 3: Phân bố công suất qui ước trong hệ thống điện

C ng 4: Giải bài toán phân bố công suất LFB trên mạng điện kín kết hợp

UPFC

C ng 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

Hệ thống điện sử dụng các máy đồng bộ để phát điện Đ là một yêu cầu cơ bản để trao đổi điện năng hữu ích mà tất cả các máy đồng bộ của hệ thống hoạt động trong sự đồng bộ với duy trì một tần số hệ thống chung Tuy nhiên, hệ thống điện được tiếp xúc với cầc nhiễu loạn động khác nhau, cái mà có thể gây ra một sự thay đổi đột ngột trong sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống

và các vấn đề trong một số máy Khả năng của hệ thống để phục hồi từ các nhiễu loạn và lấy lại sự đồng bộ trạng thái ổn định theo điều kiện qui định trở thành một thiết kế lớn và tiêu chuẩn hoạt động cho khả năng truyền tải Khả năng này thường được đặc trưng bởi các giới hạn ổn định hệ thống điện Theo các cuộc thảo luận ở trên, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng tải được giới hạn chủ yếu bởi hai yếu tố: dòng công suất trên đường dây và giới hạn ổn định của hệ thống điện Những vấn đề này rất quan trọng và yêu cầu một vài nghiên cứu để truyền tải điện một

cách hợp lý

Trong chương này, một số nguyên tắc cơ bản liên quan đến điều khiển và ổn định hệ thống điện s được thảo luận để cung cấp một số khái niệm và hiểu rõ nguyên nhân của các vấn đề [7]

2.1.2 C sở kiến thức

Trước khi nghiên cứu các cơ sở của việc điều khiển hệ thống điện và các giới hạn ổn định, các chỉ số ảnh hưởng đến trào lưu công suất tác dụng và phản kháng trên hệ thống điện là cần phải thảo luận Việc chuyển tải công suất giữa hai thanh cái liên quan đến các thông số sau đây:

- Điện áp thanh cái đầu nhận và đầu phát

- Góc công suất giữa hai thanh cái

- Tổng trở nối tiếp của đường dây truyền tải giữa hai thanh cái

Chúng ta xem xét một hệ thống đơn giản hình tia thể hiện như hình 2.1 Đường dây truyền tải giữa thanh cái nhận và phát được thể hiện bằng mô hình 

tương đương và bỏ qua điện trở của đường dây để đơn giản trong tính toán

Hình 2.1: Mô hình đơn giản hệ thống hình tia hai thanh c i

Các phương trình mô tả công suất chuyển tải tại thanh cái phát và thanh cái nhận có thể được viết dưới dạng:

Công suất tác dụng tại đầu phát:

S R sin

s

V V p

 (2.1)

Công suất tác dụng tại đầu nhận:

S R sin

R

V V p

 (2.2) Công suất phản kháng tại đầu phát:





  (2.3) Công suất phản kháng tại đầu nhận:

S R s

V V p

X 

R

V V p

X 

 ( 2.5) Trong ngắn hạn, công suất tác dụng chuyển tải giữa hai thanh cái trong hệ thống điện tỷ lệ với góc lệch pha giữa hai thanh cái, công suất đầu phát và đầu nhận

là bằng nhau và tổn thất công suất trong hệ thống được bỏ qua

Phương trình chuyển tải công suất phản kháng là phức tạp hơn phương trình chuyển tải công suất tác dụng như đã thấy từ phương trình (2.3) và (2.4) Tuy nhiên,

để đon giản chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của công suất điện dung đường dây Như vậy phương trình công suất phản kháng đơn giản là:

2

cos

S S R S

V V V Q

X





 (2.6)

2

cos

R S R R

V V V Q

giữa hai điểm là được xác định bởi biên độ điện áp ở hai thanh cái, điện kháng nối tiếp của đường dây và góc công suất giữa hai điểm

Trong chế độ làm việc bình thường, góc công suất giữa hai thanh cái nối với nhau là nhỏ, vì vậy phương trình công suất phản kháng chuyển tải có thể được đơn giản thành

2

S

V V V Q

V V V Q

Tóm lại, công suất tác dụng luôn truyền từ nơi c g c cao sang nơi c g c thấp, trong khi đ công suất phản kháng thường phân bố từ nơi c điện áp cao đến nơi c điện áp thấp [7]

2.1.3 Điều khiển phân bố công suất

Truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh c thể được gia tăng bằng cách điều chỉnh kháng trở của đường dây và góc lệch pha giữa hai thanh cái Trong thực tế, phương pháp cơ bản để gia tăng công suất truyền tải bằng cách bù Var song song,

bù Var nối tiếp và điều chỉnh góc pha

Bù Var nối tiếp và bù Var song song là nguyên lý của bù công suất phản kháng Mục đích của bù công suất phản kháng ở đây là thay đổi đặc tính điện tự nhiên của đường dây truyền tải để làm cho nó có khả năng đáp ứng nhu cầu truyền tải công suất cao hơn đến phụ tải Nguyên l bù song song được ứng dụng để duy trì mức điện áp dưới các điều kiện khác nhau của hệ thống Bù nối tiếp thường được ứng dụng để thiết lập nên một đường dây ngắn ảo bằng cách giảm tổng trở tính cảm của đường dây Điều chỉnh g c pha là được ứng dụng để điều khiển góc pha của đường dây Bằng cách điều khiển tổng trở hoặc góc pha, việc điều khiển công suất

có thể thực hiện được Một phương pháp khác để điều khiển trào lưu công suất là bơm vào một điện áp thích họp, phương pháp điều khiển này là giải pháp cơ bản của các thiết bị FACT nguồn áp

Mặt khác, một nhược điểm khi dùng tụ bù nối tiếp điều khiển bàng cơ khí trên đường dây có thể dẫn đến cộng hưởng dưới đồng bộ Việc cộng hưởng này xảy

ra khi một tần số tự nhiên trên trục máy của một nhà máy nhiều tua-bin trùng với tần số cộng hưởng điện của tụ điện với tổng trở tính cảm của đường dây Điều này

có thể làm hư hỏng trục tua-bin của các máy phát điện, vấn đề này có thể được ngăn chặn bằng việc ứng dụng các bộ điều khiển FACT [7]

2.2 CÁC THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.2.1 Giới thiệu và phân loại các thiết bị FACTS

Flexible Alternating Current Transmission Systems, được gọi là FACTS, là

hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định hệ thống điện một cách nhanh chóng Một số thiết bị FACTS đã được giới thiệu cho các ứng dụng khác nhau trên toàn thế giới Một số các thiết bị mới đang trong giai đoạn được giới thiệu trong thực tế

Trong hầu hết các ứng dụng khả năng điều khiển được sử dụng là để tránh chi phí tăng lên khi yêu cầu các phần mở rộng của hệ thống điện, ví dụ như nâng cấp, bổ sung các trạm biến áp và đường dây điện Thiết bị FACTS cung cấp một sự thích nghi tốt hơn trong các điều kiện hoạt động khác nhau và cải thiện việc sử dụng các thiết bị hiện có Các ứng dụng cơ bản các thiết bị FACTS là:

• điều khiển dòng công suất

• tăng khả năng truyền tải

• điều khiển điện áp

• bù công suất phản kháng

• cải thiện sự ổn định

• nâng cao chất lượng điện

• sự điều tiết công suất

• giảm sự chập chờn

Các thiết bị FACTS có thể phân chia theo cách đấu nối: nhóm mắc nối tiếp, nhóm mắc song song, nhóm mắc h n hợp:

Hình 2.2: Tổng quan về thiết bị FACTS

* Nhóm mắc nối tiếp ( Series controllers): loại thiết bị này cho ph p thay đổi

tổng trở đường dây bằng tụ điện điện kháng, ho c biến đổi nguồn có t n số bằng

t n số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất Về nguyên lý tất các thiết, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp ho c tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi

* Nhóm mắc song song ( Shunt Controllers): loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở tha đổi nguồn ho c kết hợp cả hai Tất cả các thiết bị điều khiển song

ng ù ng điện vào hệ thống tại điểm nút

là thiết bị điều khiển hợp nhất Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp, công suất phản kháng được bù độc lập cho m i đường dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi qua nguồn liên kết Khả năng chuyển 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, tận dụng tối đa hệ thống truyền tải

- 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 song song và nối tiếp

riêng r được điều khiển kết họp hoặc điều khiển họp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện vào hệ thống với những phần tử điều khiển song song

và bù điện áp trên đường dây với những phần tử bù nối tiếp

Trong hình 2.2, cột đầu tiên bao gồm các thiết bị cổ điển xây dựng dựa trên các thành phần có thể đ ng ngắt được hoặc cố định giống như điện trở, điện cảm hoặc điện dung có các sự chuyển đổi với nhau

Các thiết bị FACTS chứa các thành phần như là các van điều khiển công suất thêm vào hoặc rút ra Cột bên trái của thiết bị FACTS sử dụng các van Thyristor hoặc bộ nghịch lưu Các van này hoặc các bộ nghịch lưu này được biết trong những năm gần đây Ch ng c tổn hao thấp bởi vì tần số chuyển mạch của chúng thấp

Cột bên phải của thiết bị FACTS chứa nhiều công nghệ tiên tiến của các bộ nghịch lưu áp chủ yếu dựa trên các IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) hoặc IGCT (Insulated Gate Commutated Thyristors) Bộ nghịch lưu áp cung cấp các điện áp có thể điều khiển tự do về độ lớn và pha bằng cách điều chế độ rộng xung của các IGBT hoặc IGCT Tần số điều chế cao cho phép các sóng hài thấp trong các tín hiệu ngõ ra và sang bằng các sự nhiễu loạn đến từ lưới Do tần số chuyển mạch ngày càng tăng, sự tổn thất c ng ngày càng tăng Vì vậy các bộ nghịch lưu được thiết kế đặc biệt để đảm bảo các yêu cầu bù công suất và giảm tổn hao

Kết luận, ngoại trừ loại svc, công nghệ FACTS nói chung còn rất mới mẻ Loại svc được sử dụng nhiều nơi trên thế giới bởi vì tính vận hành kinh tế và hiệu qủa của nó Trong thị trường điện cạnh tranh, FACTS gi p cho người điều hành hệ thống lưới điện giải quyết được việc tắc ngh n tải trên hệ thống và vận hành một cách tối ưu nhất, giảm giá thành sản xuất điện, đảm bảo an toàn tin cậy trong hệ thống Tuy nhiên, thiết bị FACTS là rất đắt, vì vậy, khi xem xét sử dụng công nghệ này, chúng ta cần phải phân tích về kinh tế và kỹ thuật để lựa chọn cho phù hợp [4]

Hình 2.3 Một vài ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện

2.2.2 VSC ( Static var Compensator)

SVC là thiết bị bù song song 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

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

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

Hình 2.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VSC

Sử dụng VSC 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 Chức năng chính của VSC bao gồm:

- Điều khiển điện áp n t c đặt VSC, có thể cố định gái trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất tại n t được bù

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

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

Ngoài ra, VSC có 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

- Giảm tổn thất công suất và điện năng [4]

2.2.3 STATCOM (Static Synchronous Compensator)

SVC với bộ chuyển đổi nguồn điện áp được gọi là STATCOM (STATIC COMPENSATOR) STATCOM (bộ bù đồng bộ tĩnh) c một đặc tính tương tự như

bộ điện dung đồng bộ, nhưng như một thiết bị điện tử, nó không có quán tính và cao cấp hơn bộ điện dung đồng bộ trong một vài mặt, chẳng hạn như tính linh động hơn, với chi phí đầu tư và vận hành thấp hon, chi phí bảo trì thấp hơn

Hình 2.5: Cấu hình của 1 STATCOM

STATCOM được xây dựng dựa vào các thyristor với khả năng đ ng ngắt

nhanh như GTO (Gate Turn-Off Switch) hay IGCT, hoặc với IGBT Ưu điểm của

STATCOM là việc cung cấp công suất phản kháng là độc lập từ điện áp thực tế trên các điểm kết nối Điều này c nghĩa, ngay cả trong huống nghiêm trọng nhất, STATCOM vẫn giữ khả năng đầy đủ của nó so với svc

Trong lĩnh vực phân phối năng lượng sử dụng các bộ chuyển đổi nguồn điện

áp cho kết nối lưới điện là thực tế phổ biến Bước tiếp theo trong sự phát triển STATCOM là kết họp với năng lượng dự trữ ở phía DC Việc thực hiện chất lượng nguồn điện và vận hành mạng lưới cân bằng có thể được cải thiện nhiều hon nữa với sự kết họp của công suất tác dụng và công suất phản kháng

Chức năng của STATCOM là giống như máy bù đồng bộ Nói chung, nó cung cấp công suất phản kháng bù để giải quyết sự biến đổi điện áp của hệ thống điện trong các điều kiện dao động và ổn định Một hệ thống STATCOM đầy đủ bao

gồm một nguồn điện áp DC, bộ chuyển đổi sử dụng thyristor, và một máy biến áp tăng áp [7]

2.2.4 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

Bộ tụ nối tiếp điều khiển Thyristor (TCSC) nhắm tới vấn đề động lực học trong hệ thống truyền tải Thứ nhất, n làm tăng làm sự tắt dần dao động khi hệ thống điện được kết nối với nhau Thứ hai, nó có thể khắc phục vấn đề của cộng hưởng đồng bộ thấp, một hiện tượng mà có sự tương tác giữa các đơn vị tạo ra nhiệt lớn và các hệ thống truyền tải bù nối tiếp Khả năng đ ng cắt tốc độ cao của TCSC cung cấp một cơ chế cho điều khiển dòng công suất đường dây, cho phép tăng tải các đường dây truyền tải hiện c , và cho ph p điều chỉnh nhanh chóng lưu lượng công suất đường đây trong đáp ứng tới các sự thay đổi khác nhau TCSC c ng

có thể điều chỉnh dòng công suất trạng thái ổn định trong giới hạn của nó

Bộ tụ nối tiếp điều khiển Thyristor (TCSC) được điều khiển bằng linh kiện công suất Thyristor SCR (Silicon Controlled Rectifier), cấu tạo TCSC gồm nhiều

bộ tụ nối tiếp nhau và nối tiếp với đường dây Nhóm bộ tụ này được mắc song song với cuộn điện kháng, dòng qua cuộn điện kháng được điều khiển bởi linh kiện SCR Bộ TCSC này cho ph p điều chỉnh liên tục tổng trở của đường dây từ tổng trở

tự nhiên trở xuống, do đ cho ph p điều chỉnh dòng công suất tác dụng trong lưới điện [7]

Hình 2.6: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC

2.2.5 SSSC (Static Synchronous Series Compensator)

Trong khi TCSC có thể được mô hình h a như là một dãy trở kháng, sssc

là một dãy nguồn điện áp cấu hình nguyên tắc được thể hiện trong hình dưới, cái

mà về cơ bản giống như STATCOM

Hình 2.7: Cấu hình của 1 SSSC

Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh (SSSC) là một thiết bị sử dụng thiết bị điện tử để điều khiển dòng công suất và cải thiện tắt dần dao động điện năng trên lưới điện, sssc tiêm vào một điện áp trong mắc nối tiếp với các đường dây truyền tải, nơi n được kết nối SSSC bao gồm một bộ chuyển đổi nguồn điện áp kết nối nối tiếp với các đường dây truyền tải thông qua một biến áp SSSC có thể nhanh chóng cung cấp cả điện dung và trở kháng bù độc lập của đường dây điện hiện tại Hơn nữa, một SSSC với một bộ điều khiển giảm x c bên ngoài được thiết kế phù hợp c ng c thể được sử dụng để giảm xóc của các dao động điện tần số thấp trong một mạng lưới điện

ứng dụng của SSSC trong hệ thống điện có nhiều như : Phân luồng công suất, điều khiển điện áp, giảm dao động công suất…

2.2.6 UPFC ( Unified Power Flow Controller)

Gyugyi vào năm 1991 đề xuất bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC Unified Power Flow Controller) N được thiết kế bằng cách kết hợp các tính năng của 2 bộ điều khiển FACTS: bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh (SSSC) và bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM)

2.2.6 Tổng qu n về UPFC

UPFC có thể được xem bao gồm hai bộ chuyển đổi nguồn điện áp (Voltage Source Converters- VSC) nối chung với một tụ điện DC Hai VSC này kết nối tựa lưng nhau, với một vsc kết nối với lưới AC bằng cách sử dụng một biến áp shur và vsc thứ hai kết nối với lưới AC sử dụng một biến áp nối tiếp Một đại diện đồ đơn giản của UPFC được đưa ra trong hình 2.8.a) và mạch tương đuơng ở hình 2.8.b)

Hình 2.8: Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất(UPFC)

UPFC là thiết bị điện tử công suất linh hoạt và phức tạp nhất, đồng thời cho

ph p điều khiển dòng công suất tác dụng, dòng công suất phản kháng, và biên độ điện áp tại đầu cuối UPFC Ngoài ra, bộ điều khiển c thể được cài đặt để kiểm soát một hoặc nhiều các thông số này với kết họp bất kỳ hoặc không điều khiển

Công suất tác dụng được yêu cầu cho bộ chuyển đổi nối tiếp được r t ra bởi

bộ chuyển đổi shunt từ mạng lưới AC và cung cấp cho n t m thông qua liên kết

DC Điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi nối tiếp được cộng thêm vào điện áp n t, ta

n i rằng n t k, để tăng điện áp n t m Biên độ điện áp của điện áp đầu ra VcR cung cấp điều chỉnh điện áp, và g c pha  cR quyết định chế độ điều khiển dòng công suất

Ngoài việc cung cấp một vai trò h trợ trong việc trao đổi công suất tác dụng diễn ra giữa bộ chuyển đổi nối tiếp và hệ thống AC, bộ chuyển đổi shunt c ng c thể phát hoặc hấp thụ công suất phản kháng để cung cấp điều chỉnh biên độ điện áp độc lập tại điểm kết nối với hệ thống AC

Dựa trên mạch tương đương được hiển thị trong hình 2.8.b), phương trình dẫn nạp c thể được viết:

2.2.6.2 Mô hình phân bố công suất của UPFC

Mạch tương đương UPFC được hiển thị trong hình 2.9 bao gồm một nguồn điện áp kết nối shunt, một nguồn điện áp kết nối nối tiếp, và một phương trình ràng buộc công suất tác dụng, cái mà do liên kết hai nguồn điện áp

Các biểu thức s là:

EvR = VvR (cosδvR + jsin δvR) (2.11)

EcR = VcR (cosδcR + jsin δcR) (2.12)

Re{- VvR I*vR + VcR I*m} = 0 (2.13) Trong đ VvR và δvR là biên độ điện áp điều khiển(VvRmin≤ VvR ≤VvRmax) và

g c pha(0 ≤ δvR ≤ 2π) của nguồn điện áp đại diện cho bộ biến đổi shunt Biên độ VcR

và góc pha δcR của nguồn điện áp đại diện cho bộ chuyển đổi nối tiếp được điều khiển trong giới hạn (VcRmin≤ VcR ≤VcRmax) và (0≤ δvR ≤2π) , tương ứng

Hình 2.9: Sơ đồ mạch tương đương của UPFC

Góc pha của điện áp nối tiếp được tiêm (bơm) vào xác định chế độ điều

khiển dòng công suất Nếu δ cR là cùng pha với g c điện áp n t θk , UPFC điều chỉnh

điện áp đầu cuối Nếu δ cR là vuông góc với θk , n điều khiển dòng công suất tác

dụng, hoạt động như một thiết bị dịch pha Nếu δ cR là vuông góc với g c dòng điện đường dây thì n điều khiển dòng công suất tác dụng, hành động như là một bộ bù

nổi tiếp thay đổi Tại bất kỳ giá trị khác của δ cR , UPFC hoạt động như một sự kết

hợp của điều chỉnh điện áp, bù nối tiếp thay đổi, và bộ dịch g c pha Độ lớn của điện áp nối tiếp được tiêm vào quyết định lưu lượng của dòng công suất phải được điều khiển

Dựa trên mạch tương đương được hiển thị trong hình 2.9 và phương

trình (2.11) và (2.12), các phương trình công suất tác dụng và phản kháng tại

cR

I

vRI

k k

Điề iện r ng ộc ề công ất t c ụng tr ng UPFC

Giả sử các van chuyển đổi tổn thất rất bé, công suất tác dụng cung cấp tới bộ

chuyển đổi shunt, PvR , bằng công suất tác dụng theo yêu cầu của bộ chuyển đổi nối

tiếp , PcR , c nghĩa là:

PvR + PcR = 0 (2.26)

Hơn nữa, nếu các máy biến áp ghép nối được giả định không có trở kháng thì công suất tác dụng tại nút k phù hợp với công suất tác dụng tại n t m Theo đ :

PvR + PcR = Pk + Pm = 0 (2.27) Các phương trình công suất của UPFC, trong dạng tuyến tính, được kết hợp với những cái khác của lưới AC Đối với trường hợp khi UPFC điều khiển các thông số sau: (1) biên độ điện áp tại đầu cuối bộ chuyển đổi shunt(nút k) , (2) dòng công suất tác dụng từ n t m đến nút k, (3) công suất phản kháng được tiêm(bơm) tai nút m, và làm cho nút m trở thành nút PQ, hệ thống được tuyến tính của các phương trình là như sau:

vR

bb cR cR bb

cR

bb m m

bb vR vR bb

m bb

k bb

cR cR mk

cR

mk m

m mk

m mk

k mk

cR cR mk

cR

mk m m mk

m mk

k mk

cR cR m

cR

m m m m

m m

k m

vR

k cR cR k

cR

k m m

k vR vR k

m k

k k

cR cR m

cR

m m m m

m m

k m

vR

k cR cR k

cR

k m m

k vR vR k

m k

k k

V V V V

P V

V

P P V V

P V V

P P P

V V

Q Q

V V

Q Q

Q

V V

P P

V V

P P

P

V V

Q Q

V V

Q Q

Q

Q V

V

Q Q V V

Q V V

Q Q Q

V V

P P

V V

P P

P

P V

V

P P

V V

P V

V

P P P

0 0

0 0

0 0

(2.28)

Trong đ : ΔPbb là độ thay đổi công suất được đưa ra bởi phương trình (2.28) Nếu điện ápđiều khiển tai nút k là không hoạt động, cột 3 của phương trình (2.24) được thay thế bởi đạo hàm riêng của n t và độ thay đổi công suất UPFC đối với biên độ nút Vk Hơn nữa , sự tăng lên biên độ điện áp của nguồn shunt , ΔVvR

/VcR được thay thế bởi sự tăng biến độ điện áp tại n t k, ΔVk /Vk

Như vậy, theo các phương trình từ (2.14) đến (2.17) và cách tính công suất truyền tải trên đường dây, ta thấy rằng, khi lắp thêm UPFC thì lượng công suất tại

m i nút có gắng UPFC s thay đổi Lượng công suất này ta xem như được cung cấp bởi UPFC bơm vào các n t k và m [7]

H n 2 0 Mô hình t nh t n của UPFC

2.2.6.3 Chức năng điều khiển của UPFC

Bộ chuyển đổi nối tiếp được sử dụng để tiêm (bơm) vào một điện áp thích hợp với biên độ và g c pha được điều khiển nối tiếp tới đường dây truyền tải

Bộ chuyển đổi shunt hoạt động như 1 cách với yêu cầu công suất đầu cuối dc từ đường dây, giữ cho điện áp qua tụ lưu trữ Vdc là hằng số [7]

 Chức năng điều khiển của bộ chuyển đổi nối tiếp

 Chế độ tiêm điện áp trực tiếp: ngõ vào tham chiếu là chính xác với biên

bộ và g c pha của điện áp nối tiếp

 Chế độ thay đổi g c pha: ngõ vào tham chiếu là sự dịch chuyển pha giữa điện áp cuối gởi và điện áp cuối nhận

 Chế độ thay đổi trở kháng đường dây Ngõ vào tham chiếu là giá trị trở kháng để chèn vào nối tiếp với trở kháng đường dây

 Chế độ điều khiển dòng công suất tự động Ngõ vào tham chiếu là các giá trị của p và Q để duy trì trên đường dây truyền tải bất chấp sự thay đổi của hệ thống

Mặc dù c nhiều chế độ hoạt động khác nhau, nhưng thường là bộ chuyển đổi nối tiếp hoạt động trong chế độ điều khiển dòng công suất tự động [4]

 Chức năng điều khiển của bộ chuyển đổi shunt:

 Chế độ điều khiển Var: ngõ vào tham chiếu là 1 yêu cầu Var tính dung

hay tính cảm kháng

 Chế độ điều khiển điện áp tự động: mục tiêu là để duy trì điện áp đường

dây truyền tải tại điểm kết nối tới giá trị tham chiếu

Thông thường, bộ chuyển đổi shunt trong UPFC hoạt động trong chế độ điều khiển điện áp tự động [4]

C ng 3

PHÂN BỐ CÔNG SUẤT QUI Ư C TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1 GI I THIỆU

Chúng ta biết rằng c ba phương pháp tính phân bố công suất thường được

sử dụng là: phương pháp Newton-Raphson, phương pháp Gauss-Seidel và phương pháp phân lập nhanh M i phương pháp c những đặc tính hội tụ khác nhau, thường thì ta chọn phương pháp c khả năng thực hiện tốt nhất Việc lựa chọn phương pháp tính nào còn tùy thuộc vào cấu hình v hệ thống, máy phát, đặc tính tải và mức điện

áp ban đầu tại các nút

Đối tượng của khảo sát phân bố công suất là xác định các giá trị điện áp và góc pha ở các nút, dòng công suất trên các nhánh và tổn thất công suất trong mạng điện

Để giải bài toán phân bố công suất, hệ thống được giả thiết rằng đang vận hành ở điều kiện cân bằng và mô hình một pha có thể được sử dụng Bốn thông số được kết hợp tại m i n t, đ là giá trị điện áp │ V │, g c pha δ, công suất tác dụng

P và công suất phản kháng Q Các nút trong một hệ thống thông thường được phân

ra làm 3 loại như sau:

 Nút cân bằng: chỉ có một nút cân bằng trong hệ thống Đây là n t được lấy làm nút chuẩn, tại đ giá trị biên độ áp V và g c pha δ đã biết (thường cho δ=0) N t này c khả năng đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi của phụ tải Nhờ vào bộ điều tốc nhạy cảm, máy phát điện cân bằng có khả năng tải hoặc giảm tải kịp thời theo yêu cầu của hệ thống

 Nút phụ tải: cho biết công suất P và Q của phụ tải yêu cầu Biên độ áp và góc pha là biến chưa biết Các n t này được gọi là các nút P – Q Nếu không có máy phát hay phụ tải ở một n t nào đ thì coi n t đ như n t phụ tải với P = Q = 0 Dòng công suất ở các thanh cái được quy ước theo chiều

đi vào thanh cái

 Nút thanh cái máy phát (nút nguồn): còn được gọi là n t điều chỉnh điện

áp Ở các nút này, giá trị P, │ V │là xác định Gía trị góc pha của áp và Q cần được tìm Các n t này còn được gọi là các nút P – V

3.2 CÁC HÁI NIỆM PHÂN BỐ C NG SUẤT TỔNG QUÁT

3.2.1 Công thức c bản

Phương pháp phổ biến để đánh giá sự làm việc ổn định tĩnh của hệ thống điện là viết các phương trình qui định rằng tại một thanh cái cho biết trước: công suất phát, phụ tải và các công suất trao đổi chạy qua các phần tử của đường dây truyền tải kết nối đến thanh cái này phải được cộng lại bằng không Điều này áp dụng cho cả công suất tác dụng và phản kháng Đ là các phương trình điều kiện

“phương trình độ thay đổi công suất” và tại thanh cái k, các phương trình có công suất như sau [7]:

(3.1) (3.2) Trong đ : và lần lượt là độ thay đổi công suất tác dụng và phản kháng tại thanh cái k và lần lượt là công suất tác dụng và phản kháng được bơm vào bởi máy phát ở tại thanh cái k Đối với mục đích giải pháp phân bố công suất n là được giả định rằng, các thay đổi có thể được điều khiển bởi nhân viên vận hành nhà máy điện và lần lượt là công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải ở tại thanh cái k, dưới điều kiện vận hành bình thường khách hàng có thể làm thay đổi chúng, và trong công thức phân bố công suất ch ng được giả định rằng

là đã biết trước sự thay đổi này

Công suất phát và công suất phụ tải tại thanh cái k có thể được đo lường bởi

kỹ sư hệ thống, giá trị thuần của ch ng là được biết trước như là công suất tác dụng

và phản kháng kế hoạch:

(3.3) (3.4) Công suất tác dụng và phản kháng truyền tải, và , là những hàm của các điện áp nút và tổng trở và được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình

phân bố công suất Biết được biên độ điện áp và góc pha của các nút trong toàn mạng điện chính xác thì tính toán công suất truyền tải dễ dàng và chính xác Trong trường hợp này, các phương trình độ thay đổi công suất tương ứng là bằng không cho các kết quả thực tế Và sự cân bằng công suất tại m i thanh cái của mạng điện được thỏa mãn Tuy nhiên, nếu không biết chính xác điện áp tại m i nút thì việc tính toán công suất truyền tải chỉ thu được các giá trị xấp xỉ và các phương trình độ thay đổi công suất là khác không Giải pháp phân bố công suất thực hiện phương pháp tính toán điện áp các n t tương đối thành công và kể từ đây, tính toán công suất truyền tải đến khi các giá trị đạt đủ độ chính xác, làm cho độ thay đổi công suất trờ thành bằng không hoặc gần bằng không Các phần mềm máy tính phân bố công suất hiện đại ngày nay giải được các phương trình thay đổi công suất thỏa mãn sai

số cho phép 10-12 trước phép giải có vòng lặp được xem là thành công Khi hội tụ, biên độ điện áp và g c pha thu được sử dụng làm thong tin về các điều kiện vận hành ổn định tĩnh của hệ thống điện và biết ngay khi có sự thay đổi trạng thái

Hình 3.1: Tổng trở tương đương

Theo yêu cầu để phát triển phù hợp các phương trình phân bố công suất, nó

là cần thiết để tìm ra mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện bơm vào thanh cái Hình 3.1 dòng điện –phức bơm vào ở thanh cái k, ký hiệu bằng Ik, có thể được biễu diễn theo điều kiện của điện áp toàn phần Ek và Em như sau:

( ) ( ) (3.5)

Tương tự cho thanh cái m:

( ) ( ) (3.6) Viết lại hai phương trình dưới dạng ma trận như sau:

[ ] [

] [ ] (3.7) Hoặc:

[ ] [

] [ ] (3.8) Trong đ tổng dẫn có thể được biễu diễn ở dạng chi tiết hơn:

(3.9) ( ) (3.10) Trong đ i=k, m và j=k, m

Công suất toàn phần bơm vào tại thanh cái k bao gồm thành phần công suất tác dụng và phản kháng và có thể được viết dưới dạng như một hàm của điện áp nút

và dòng điện bơm vào tại thanh cái này là:

( ) (3.11) Trong đ là dòng điện liên hiệp toàn phần bơm vào tại thanh cái k

Biểu thức và có thể được xác định bằng cách thay thế phương trình (3.9) và (3.10) vào phương trình (3.11) và tách riêng ra thành công suất thực và công suất ảo như sau:

, ( ) ( )- (3.12) , ( ) ( )- (3.13) Biết trước các mức độ công suất phát và công suất phụ tải ở thanh cái k, và theo phương trình (3.1) và (3.2), phương trình độ thay đổi công suất có thể được viết như sau:

* , ( ) ( )-+ (3.14)

* , ( ) ( )-+

(3.15)

Tương tự, các phương trình c thể được viết cho thanh cái m bằng cách hoán

đổi ký hiệu k và m trong phương trình (3.14) và (3.15)