Luận văn Nghiên cứu điều khiển phân bố dòng công suất sử dụng SSSC (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu điều khiển phân bố dòng công suất sử dụng SSSC (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LẠI THẾ TÂM NGHIÊN CỨU ÐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ DÒNG CÔNG SUẤT SỬ DỤNG SSSC NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ - 60520203 S KC 0 0 4 8 8 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LẠI THẾ TÂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ DÒNG CÔNG SUẤT SỬ DỤNG SSSC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2016
3. MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v DANH SÁCH CÁC HÌNH 3 DANH SÁCH CÁC BẢNG 6 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 1. TÓM TẮT 7 2. ĐẶT VẤN ĐỀ 8 3. CÁC GIẢI PHÁP HIỆN NAY ĐỂ CHỐNG NGHẼN MẠCH 9 3.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện 9 3.2. Điều độ tải 12 3.3. Mở rộng đường dây truyền tải 13 3.4. Sự hỗ trợ VAR để giảm nghẽn mạch 13 4. THIẾT BỊ FACTS 14 4.1. Phân loại thiết bị FACT 14 4.2. Các ứng dụng của FACTS 15 5. MỤC TIÊU LUẬN VĂN 16 6. GIỚI HẠN LUẬN VĂN 16 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 8. NỘI DUNG LUẬN VĂN 17 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 18 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN 18 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN 18 2. CÁC THÔNG SỐ CỦA DÂY DẪN 18 2.1. Sự tồn tại các thông số 18 2.2. Tính toán giá trị các thông số đường dây 20 1
4. 2.2.1. Điện trở 20 2.2.2. Cảm kháng 22 2.2.3. Điện dung (điện dẫn phản kháng) 25 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 29 1. CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN TRONG PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 29 2. ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 30 3. BÙ CÔNG SUẤT TRONG ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 31 3.1. Bù song song 31 3.2. Bù Nối Tiếp 32 4. TỤ BÙ ĐỒNG BỘ KIỂU TĨNH VÀ MÔ HÌNH MỘT PHA CỦA SSSC 34 4.1. Giới thiệu chung 34 4.2. Khái niệm về bù điện dung nối tiếp 34 4.3. Nguồn điện áp đồng bộ 36 5. BỘ BÙ ĐỒNG BỘ KIỂU TĨNH (SSSC) 38 5.1. Bộ chuyển đổi nguồn điện áp một pha 41 5.1.1. Chế độ hoạt động của một bộ chuyển đổi một pha 41 5.2. Bộ điều khiển SSSC 42 5.2.1. Khối đo lường 48 5.2.2. Vòng khóa pha (PLL) 49 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ DÒNG CÔNG SUẤT SỬ DỤNG SSSC 51 1. HOẠT ĐỘNG CỦA SSSC VỚI ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ DÒNG CÔNG SUẤT 51 1.1. Nguyên lý hoạt động 51 1.2. Mạch điều khiển 54 1.3. Mô phỏng SSSC với phân bố công suất 60 1.4. Kết quả mô phỏng 68 2. HOẠT ĐỘNG CỦA SSSC VỚI GIẢM DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 73 1. KẾT LUẬN 73 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 2
5. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Dòng công suất không xét giới hạn truyền tải 11 Hình 1.2: Dòng công suất có xét giới hạn truyền tải 11 Hình 1.3: Ví dụ hệ thống điện 2 nút 12 Hình 2.1: Mô hình hệ thống điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ 18 Hình 2.2: Đường dây cao áp 20 Hình 2.3: Đường dây hạ áp 20 Hình 2.4: Đường dây bố trí không đối xứng 23 Hình 2.5: Đường dây bố trí đối xứng trên 1 mặt phẳng 23 Hình 2.6: Đường dây có hai mạch, đặt lên cùng một cột 24 Hình 2.7: Hoán vị mỗi pha của một đường dây 25 Hình 2.8: Điện dung của mỗi mét của đường dây một pha 26 Hình 2.9: Đường dây ba pha đối xứng trên 1 tam giác đều. 27 Hình 3.1: Hệ thống đường dây truyền tải đơn giản 29 Hình 3.2: (a) Hệ thống bù song song với một bộ bù phản kháng lý tưởng tại điểm giữa; (b) biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính góc và công suất truyền tải 32 Hình 3.3: (a) Hệ thống bù với một bộ bù dung kháng nối tiếp; (b) biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính góc và công suất truyền tải 33 Hình 3.4: Sơ đồ của một hệ thống điện hai máy đơn giản và sơ đồ vector của nó: (a) không bù nối tiếp, (b) với bù nối tiếp [15]. 35 Hình 3.5: Công suất được truyền tải so với các góc tải như một hàm tham số của góc bù điện dung nối tiếp [15]. 36 Hình 3.6: Đại diện chức năng của SVS dựa trên một bộ chuyển đổi điện áp nguồn (VSC) [15]. 38 Hình 3.7: chế độ hoạt động SSSC trong một hệ thống điện hai máy và sơ đồ pha (b) không bù, (c) bù dung, (d) bù kháng. 40 3
6. Hình 3.8: Công suất được truyền đi so với góc tải được cung cấp bởi các SSSC như một hàm tham số của mức độ điện áp (bơm vào) bù nối tiếp [15]. 41 Hình 3.9: Bộ chuyển đổi DC-AC một pha đơn tuyến [15]. 42 Hình 3.10: Xung chuyển mạch SPWM đơn cực ba bậc và dạng sóng điện áp đầu ra VAO cho chân A (ma = 0.8 và mf = 15). 44 Hình 3.11: Xung chuyển mạch SPWM đơn cực ba bậc và dạng sóng điện áp đầu ra cho VBO chân B (ma = 0.8 và mf = 15). 45 Hình 3.12: Quang phổ biên độ sóng hài cho VAB [15]. 46 Hình 3.13: Sơ đồ khối bộ điều khiển SSSC [15]. 47 Hình 3.14: Một bộ điều khiển PI. 48 Hình 3.15: Các khối đo lường. 49 Hình 3.16: Biểu đồ Bode của bộ lọc lấy dãi: (a) đáp ứng biên độ, (b) đáp ứng pha. 49 Hình 3.17: Sơ đồ PLL 50 Hình 4.1: Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh [17]. 51 Hình 4.2: Hệ thống truyền tải công suất cơ bản [17]. 52 Hình 4.3: Hệ thống hai máy phát với SSSC 53 Hình 4.4: Công suất truyền tải so với góc truyền tải như là một hàm số của độ lớn điện áp bù nối tiếp Vq bởi SSSC. 53 Hình 4.5: Công suất tác dụng và phản kháng được truyền tải so với góc truyền như một hàm của tỷ lệ XL/R. 54 Hình 4.6: Mô hình hệ thống của SSSC 55 Hình 4.7: Hệ thống đơn giản cho mô phỏng[17]. 56 Hình 4.8: Điện áp bơm vào 56 Hình 4. 9: SSSC hoạt động trong chế độ dung kháng (Bù dung) 57 Hình 4.10: SSSC hoạt động trong chế độ cảm kháng (Bù kháng) 57 Hình 4.11: Hiệu suất của một SSSC trong chế độ dung kháng (Bù dung) và cảm kháng (Bù kháng) trong trường hợp Công suất tác dụng được bơm vào [17]. 58 Hình 4.12: Hiệu suất của một SSSC trong chế độ dung kháng (Bù dung) và cảm kháng (Bù kháng) trong trường hợp Công suất phản kháng được bơm vào [17]. 58 Hình 4.13: Hiệu suất của một SSSC trong chế độ dung kháng (Bù dung) và cảm kháng (Bù kháng) trong trường hợp dòng công suất tác dụng [17]. 59 4
7. Hình 4.14: Điện áp được bơm vào và dòng điện đường dây [17]. 59 Hình 4.15: Hiệu suất của một SSSC trong chế độ dung kháng (Bù dung) và cảm kháng (Bù kháng) trong trường hợp dòng công suất phản kháng [17]. 59 Hình 4.16: Mô hình mô phỏng của một SSSC trên đường dây truyền tải. 61 Hình 4.17: Công suất tác dụng trên đường dây 6-9 khi không có SSSC. 62 Hình 4.18: Công suất phản kháng trên đường dây 6-9 khi không có SSSC. 63 Hình 4.19: Điện áp trên đường dây 6-9 khi không có SSSC. 63 Hình 4.20: Công suất tác dụng trên đường dây 6-9 khi có SSSC. 64 Hình 4.21: Công suất tác dụng trên đường dây 5-7 khi có SSSC. 65 Hình 4.22: Công suất tác dụng trên đường dây 6-9 và 5-7 khi có SSSC. 65 Hình 4.23: Công suất phản kháng trên đường dây 6-9 khi có SSSC. 66 Hình 4.24: Công suất phản kháng trên đường dây 5-7 khi có SSSC. 66 Hình 4.25: Điện áp trên đường dây 6-9 khi có SSSC. 67 Hình 4.26: Điện áp trên đường dây 5-7 khi có SSSC. 67 Hình 4.27: Mô hình mô phỏng của một SSSC khi có sự cố ngắn mạch. 69 Hình 4.28: Công suất P (MW) trên đường dây 6-9 ở sự cố 3-pha (không có POD) 70 Hình 4.29: Công suất Q (MVAR) trên đường dây 6-9 ở sự cố 3-pha (không có POD) 70 Hình 4.30: Điện áp trên đường dây 6-9 ở sự cố 3-pha (không có POD) 70 Hình 4.31: Công suất P (MW) trên đường dây 6-9 ở sự cố 3-pha (với POD) 71 Hình 4.32: Công suất Q (MVAR) trên đường dây 6-9 ở sự cố 3-pha (với POD) 71 Hình 4.33: Điện áp trên đường dây 6-9 ở sự cố 3-pha (với POD) 72 5
8. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 4.1: Điện áp, Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây 6-9 và 5-7 khi không có SSSC 62 Bảng 4.2: Điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây 6-9 và 5-7 khi có SSSC: 64 Bảng 4.3: So sánh dòng, điện áp, Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây truyền tải 6-9 và 5-7 khi có và không có SSSC. 67 6
9. PHẦN 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. TÓM TẮT Sự phát triển gần đây của thiết bị điện tử công suất đề xuất cho việc sử dụng bộ điều khiển hệ thống điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) trong hệ thống điện. Bộ điều khiển FACTS có khả năng điều khiển các trạng thái hoạt động của hệ thống một cách nhanh chóng và tính năng này của FACTS có thể được khai thác để cải thiện sự ổn định điện áp và sự ổn định truyền tải điện của một hệ thống điện phức tạp [1] - [7]. Điều này cho phép gia tăng sử dụng mạng điện hiện có, do đó, tránh việc không cần thiết để xây dựng đường dây truyền tải mới. Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh (SVC) là một thiết bị FACTS thế hệ đầu tiên có thể kiểm soát điện áp tại các nút được yêu cầu qua đó nâng cao biên độ điện áp của hệ thống. Nhiệm vụ chính của một SVC là để duy trì điện áp ở một nút đặc biệt bằng việc bù công suất phản kháng (thu được bằng cách thay đổi góc đóng mở của thyristor) [8]. SVC đã được sử dụng để điều khiển điện áp giúp ổn định hiệu suất cao hơn so với bù ngang cổ điển. SVC cũng được sử dụng để làm cải thiện sự ổn định thoáng qua, và giảm tổn thất hệ thống bằng cách tối ưu hóa điều khiển công suất phản kháng [9] - [10]. Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC) là một trong những thành viên quan trọng của gia đình FACTS, ngày càng được áp dụng vào các đường dây truyền tải đường dài bởi các tiện ích trong các hệ thống điện hiện đại. Nó có thể có vai trò khác nhau trong các hoạt động và điều khiển trong hệ thống điện, chẳng hạn như điều khiển dòng công suất; giảm các thành phần không đối xứng; cung cấp hỗ trợ điện áp; hạn chế dòng ngắn mạch; giảm thiểu cộng hưởng đồng bộ (SSR); giảm xóc các dao động điện; và tăng cường sự ổn định thoáng qua [11] - [13]. Bộ bù đồng bộ kiểu tĩnh (SSSC) là một thành viên của gia đình FACTS được mắc nối tiếp với một đường dây truyền tải điện. Nó bao gồm một bộ chuyển đổi nguồn điện áp, tạo ra một điện áp xoay chiều bơm vào đường dây truyền tải có thể điều khiển được. Khi điện áp bơm vào đường dây được giữ vuông góc với dòng điện đường dây, nó có thể bù dung hoặc bù kháng để ảnh hưởng đến dòng chảy công suất trên đường dây 7
10. truyền tải [14]. Trong khi mục đích chính của một SSSC là để điều khiền dòng công suất ở trạng thái ổn định, nó cũng có thể cải thiện sự ổn định tạm thời của một hệ thống điện. Bằng các phương pháp phân tích các cơ sở lý thuyết để đưa ra các thông số phù hợp cho mô hình mô phỏng, nghiên cứu tập trung tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các ứng của SSSC từ đó mô phỏng hoạt động của SSSC để thấy được sự thay đổi dòng công suất trên mô hình hệ thống điện ba máy phát và 9 nút khi có gắn và không gắn thiết bị SSSC. Việc nghiên cứu đã cho thấy rằng việc ứng dụng SSSC vào đường dây truyền tải không những có khả năng nâng cao khả năng truyền tải, điều khiển được dòng công suất trên đường dây truyền tải một cách hiệu quả mà còn có khả năng giảm dao động công suất khi có các sự cố ngắn mạch. Nội dung chính của luận văn là đề xuất xây dựng thiết bị SSSC trên đường dây truyền tải điện, trình bày sự thay đổi dòng công suất trên đường dây truyền tải khi gắn thiết bị SSSC. Luận văn còn hạn chế khi chỉ mới mô phỏng trên phần mềm để thấy được sự phân bố dòng công suất khi gắn thiết bị SSSC. Ngoài ra, luận văn cũng mới chỉ ra một vài ứng cơ bản của SSSC là điều khiển dòng công suất, cũng như tăng khả năng ổn định hệ thống điện. 2. ĐẶT VẤN ĐỀ Khả năng truyền tải của đường dây cao áp và các tiêu chí kỹ thuật liên quan như điện áp vận hành, ổn định, tổn thất công suất trên đường dây, là những vấn đề được các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết kế, vận hành đặc biệt quan tâm. Hệ thống điện 500kV Việt Nam được xây dựng và đưa vào vận hành từ năm 1994, sau hơn 22 năm vận hành hệ thống này được liên tục mở rộng và phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu truyền tải, cung cấp điện cho phụ tải của cả nước. Qua quá trình thực tế vận hành hệ thống điện đã xuất hiện các chế độ vận hành khi đó công suất truyền tải trên đường dây khá lớn. Cụ thể như vào mùa hè, các hồ của nhà máy thủy điện ở miền Bắc và cả nước nói chung thiếu nước không thể phát đáp ứng yêu cầu phụ tải nên phải huy động lượng công suất từ miền Nam và miền Trung ra miền Bắc, làm cho các đường dây bị quá tải điện, điện áp tại một số nút trên đường dây giảm thấp dễ dẫn đến mất ổn định điện áp. Các giới hạn trong vấn đề quá tải đường dây là giới hạn nhiệt, mức cảnh báo của máy biến áp, giới hạn điện áp nút, ổn định quá độ hoặc ổn định động. Các giới hạn này ràng buộc lượng công suất mà 8
11. có thể truyền tải giữa hai vị trí thông qua lưới truyền tải. Công suất truyền tải không được phép tăng lên đến mức mà khi có xảy ra sự cố sẽ làm tan rã lưới điện vì không ổn định điện áp. Từ đó, đã 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, hay còn được gọi là 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 như là điều động 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 và đây cũng lại là nguyên nhân chính gây nên giá sản xuất điện năng tăng cao. Vì vậy, việc sử dụng các thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System - Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải đã giải quyết các bài toán chống nghẽn mạch, giảm rủi ro về mất điện, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng sẽ tạo ra không gian điều khiển rộng từ đó có thể giảm được chi phí sản xuất điện năng, đảm bảo lợi ích kinh tế, đồng thời tránh được tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch. Các công trình nghiên cứu gần đây còn cho thấy thêm 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. Một trong những ứng dụng nổi bật của thiết bị FACTS chính là thiết bị SSSC (Bù đồng bộ kiểu tĩnh nối tiếp - Static Synchronous Series Compensator), SSSC điều khiển công suất phản kháng chảy qua điểm kết nối thông qua điều khiển biên độ, góc pha của điện áp nguồn, từ đó có thể đáp ứng được các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện, đặc biệt là nâng cao khả năng truyền tải và điều khiển dòng công suất của đường dây. Vì vậy lắp đặt SSSC ở một số điểm quan trọng trên đường dây truyền tải là giải pháp hữu hiệu để tăng khả năng truyền tải và đồng thời giải quyết bài toán kinh tế. Luận văn này tìm hiểu các thông số trên đường dây truyền tải điện và phương pháp điều khiển dòng công suất trên hê thống điện dùng SSSC. 3. CÁC GIẢI PHÁP HIỆN NAY ĐỂ CHỐNG NGHẼN MẠCH 3.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện 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 9
12. 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. Trong môi trường nhiều nhà cung cấp, nhiều nhà tiêu thụ, đơn vị điều hành phải xử lý thêm các vấn đề về nghẽn mạch. Một trong số chúng có thể là cưỡng bức thay đổi kế hoạch phát điện, do vậy vài công ty phát điện sẽ tăng công suất phát điện và các công ty phát điện khác sẽ giảm công suất phát điện cho đến khi nghẽn mạch bị loại trừ. Đơn vị điều hành đền bù cho những nhà cung cấp đã chấp nhận lệnh huy động để phát thêm công suất, thanh toán lượng công suất phát thêm của họ và bồi thường việc đánh mất cơ hội cho những nhà cung cấp mà bị huy động cắt giảm công suất phát. Việc tăng phí truyền tải trong thời gian nghẽn mạch bằng việc thu thập phí nghẽn mạch để bồi thường cho công ty phát điện bị ảnh hưởng trong quá trình thực hiện lệnh huy động. Ví dụ minh họa: . Trường hợp 1: Xét hệ thống như hình 1.1. Giả thiết hệ thống có tổn thất công suất không đáng kể. Trong hình 1.1, G1 đưa ra bản chào giá cung cấp 200MW với giá bán điện 20$/MWh, và G2 đưa ra bản chào giá cung cấp 100MW với giá bán điện 40$/MWh. 10
13. Giao dịch được xác định với thị trường không bị giới hạn khả năng truyền tải: G2 đưa ra bản chào đắt hơn G1, vì vậy G2 sẽ không được huy động công suất. G1 bán 200MW cho khách hàng D. Do đó tổng chi phí mỗi giờ là 4000$/h. G1 Không xét giới hạn truyền tải 200 MW Tải D 200MW 200 MW Giá 20$/MWh 0MW Chi phí điện năng trung bình 20$/MWh 100MW G2 Giá 40$/MWh Hình 1.1: Dòng công suất không xét giới hạn truyền tải . Trường hợp 2: Xét hệ thống như Hình 1.2. Giả thiết hệ thống có tổn thất công suất không đáng kể. Xét giới hạn truyền tải G1 Tải D 200MW 200 MW Giá 20$/MWh 50M Chi phí điện năng trung bình W 25$/MWh 100MW G2 Giá 40$/MWh Hình 1.2: Dòng công suất có xét giới hạn truyền tải Trong hình 1.2, giả sử ta huy động công suất tối ưu nhằm cực tiểu tổng chi phí như trường hợp 1: Nhà cung cấp G1 được huy động 200MW bán cho khách hàng D và G2 không được huy động công suất. Trong trường hợp này, việc giao dịch 200MW giữa G1 và D không thể thực hiện được vì sẽ xảy ra quá tải do khả năng của đường dây là 150MW. 11
14. Để loại trừ hiện tượng quá tải này, G1 chỉ được huy động 150MW và huy động thêm 50MW của G2 với mức giá cao hơn (40$/MWh). Với việc huy động này, tổng chi phí sẽ là 5000$/h. Như vậy ràng buộc giới hạn truyền tải của đường dây gây nên nghẽn mạch truyền tải và làm tăng thêm tổng chi phí của hệ thống là 25%. Về cơ bản, ta có thể xác định chi phí nghẽn mạch như là sự chênh lệch giữa chi phí đảm bảo cung cấp cho phụ tải hệ thống không xét đến bất kỳ điều kiện ràng buộc nào và chi phí cung cấp cho phụ tải không vi phạm các giới hạn hiện tại. Trong ví dụ được xem xét ở trên, trường hợp 2 xảy ra nghẽn mạch, chi phí nghẽn mạch là 1000$/h. 3.2. Điều độ tải Trong các hệ thống phi điều tiết, nghẽn mạch trong hệ thống truyền tải là một bài toán chủ yếu và có thể dẫn tới các đột biến giá. Nghẽn mạch truyền tải xuất hiện khi thiếu khả năng truyền tải để đáp ứng các yêu cầu của tất cả các khách hàng. Trong các trạng thái bị nghẽn mạch nặng, nghẽn mạch truyền tải có thể được giảm bớt bằng cách cắt giảm một phần các giao dịch không ổn định. Một ví dụ của một hệ thống 2 nút trình bày trong hình 1.3 giải thích sự nghẽn mạch truyền tải. Trong hình 1.3a, đầu ra công suất tác dụng cực đại của máy phát là 50MW, giới hạn công suất đường dây truyền tải là 45MVA và công suất tác dụng tải là 48MW. Có một sự quá tải truyền tải trong đường dây truyền tải để đáp ứng tải. Nghẽn mạch có thể được giảm bớt bằng cách cắt giảm phần tải nào đó. Trong hình 1.3b, tải được cắt giảm từ 48MW tới 45MW và nghẽn mạch được loại bỏ. Hình 1.3a: Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch Hình 1.3b: Ví dụ 2 nút sau khi được loại bỏ nghẽn mạch Hình 1.3: Ví dụ hệ thống điện 2 nút 12
15. 3.3. Mở rộng đường dây truyền tải Mở rộng đường dây truyền tải giải quyết bài toán mở rộng và củng cố sự phát điện và mạng truyền tải hiện tại để phục vụ tối ưu sự phát triển thị trường điện trong khi đáp ứng một tập các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật. Các kỹ thuật khác nhau như phân tích Bender, tìm kiếm Tabu, thuật toán Gen đã được sử dụng để nghiên cứu bài toán này. Mặc dù các chi phí nghẽn mạch có thể được cực tiểu hóa nhờ vào các phương pháp quản lý nghẽn mạch hiệu quả, nhưng một mối quan tâm bao quát là chi phí biên của nghẽn mạch này sẽ không cao hơn chi phí biên của giảm nghẽn mạch thông qua sự đầu tư về mở rộng khả năng truyền tải. Mặt khác, các chi phí nghẽn mạch cao sẽ là một tín hiệu để mở rộng khả năng truyền tải. Sự đầu tư về truyền tải sẽ luôn luôn hướng tới tăng độ tin cậy và giảm các chi phí nghẽn mạch. Tuy nhiên, phương pháp mở rộng đường dây truyền tải này có rất nhiều hạn chế như: Tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng đường dây truyền tải lớn, phụ thuộc vào các ràng buộc pháp lý, các quy định đền bù giải tỏa 3.4. Sự hỗ trợ VAR để giảm nghẽn mạch Trong kịch bản thời đại ngày nay, các giao dịch điện ngoài dự tính đang tăng lên nhanh chóng do sự cạnh tranh giữa các công ty để đáp ứng nhu cầu đang gia tăng và nếu các giao dịch không được điều khiển một cách đúng đắn thì các đường dây truyền tải thường bị vận hành và bị ép buộc tới mức giới hạn. Sử dụng sự truyền tải sẵn có tăng lên một phần nhờ sự bù công suất phản kháng. Vai trò của sự hỗ trợ VAR trong thị trường điện mở là để trợ giúp quản lý nghẽn mạch. Sử dụng tốt hơn hệ thống điện sẵn có để tăng khả năng truyền công suất bằng cách lắp đặt hỗ trợ VAR chẳng hạn như các bộ tụ điện và các thiết bị FACTS (hệ thống truyền tải AC linh hoạt) trở nên cấp bách. Các bộ tụ điện, bộ bù VAR tĩnh (SVC), bộ tụ mắc nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC), tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh (SSSC), điều khiển dòng công suất tối ưu (UPFC) là vài ví dụ của các thiết bị FACTS được sử dụng cho hỗ trợ VAR. Ưu điểm chính của các thiết bị FACTS là khả năng lắp đặt của chúng trong một thời gian ngắn so với kế hoạch và sự xây dựng của các đường dây truyền tải mới. FACTS 13
16. không chỉ cải thiện khả năng truyền tải mà còn giảm các tổn thất. Tuy nhiên, các thiết bị FACTS là đắt tiền. Vì vậy, ta cần tính toán trong từng trường hợp cụ thể. 4. THIẾT BỊ FACTS 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 điện áp, hệ số công suất của hệ thống một cách nhanh chóng. 4.1. Phân loại thiết bị FACT Các thiết bị FACTS có thể phân ra làm bốn loại: - 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 biến đổi. - 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. - 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, 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 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 rẽ được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử 14
17. nốitiếp và song song. Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện và hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áp trên đường dây với những phần tử bù nối tiếp. 4.2. Các ứng dụng của FACTS - Thay đổi trở kháng của một hay nhiều nhánh trong hệ thống điện, từ đó có thể phân bố lại luồng công suất trong mạng điện. Điều này giúp hạn chế luồng công suất truyền qua những nhánh có khả năng gây nghẽn mạch. - Điều khiển dòng công suất trên đường dây trong lưới điện theo ý muốn, giúp sử dụng tốt hơn hệ thống truyền tải hiện có. Ở một số nơi, việc tăng dung lượng chuyển giao năng lượng và điều khiển luồng công suất truyền tải của các đường dây có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt là những nơi có thị trường điện chưa được kiểm soát, hay những nơi mà các vị trí phát điện và tâm phụ tải có thể thay đổi. Điều này cần bổ sung các đường dây truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu điện gia tăng, nhưng lại vướng phải các ràng buộc về kinh tế, môi trường. Trong trường hợp đó, các thiết bị FACTS đáp ứng được những yêu cầu cả về kinh tế và kỹ thuật. - Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải: Độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Mặc dù các thiết bị FACTS không thể ngăn chặn sự cố, nhưng chúng có thể giảm thiểu những ảnh hưởng của sự cố và đảm bảo việc cấp điện an toàn hơn bằng cách giảm số lần đóng cắt đường dây. Ví dụ, cắt một phụ tải lớn gây ra một quá áp của đường dây và dẫn đến cắt đường dây. - Tăng độ ổn định động và quá độ của lưới: Những đường dây dài liên kết các hệ thống, những tác động thay đổi phụ tải và các sự cố đường dây có thể tạo ra sự bất ổn định trong hệ thống truyền tải. Các vấn đề này cũng có thể dẫn tới giảm dòng công suất trên đường dây, dòng công suất vòng hoặc thậm chí dẫn đến cắt đường dây. Các thiết bị FACTS làm ổn định các hệ thống truyền tải với việc tạo nâng cao công suất truyền tải và giảm nguy cơ sự cố đường dây. 15
18. - Tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng điện năng cao: Các ngành công nghiệp hiện đại phụ thuộc vào chất lượng điện cung cấp bao gồm các yêu cầu khắt khe về giao động của điện áp, tần số và không bị cắt điện. Những sự thay đổi về điện áp và tần số hay sự mất nguồn cấp có thể dẫn đến ngưng trệ trong quá trình sản xuất mà hệ quả là những tổn thất lớn về kinh tế. Các thiết bị FACTS có thể giúp cung cấp chất lượng cấp điện năng theo yêu cầu. Nói chung, những khả năng ứng dụng của các thiết bị FACTS có thể được tóm tắt trong các phạm vi giới hạn sau: Giữ được khả năng tải của đường dây gần với giới hạn phát nóng. Nâng cao khả năng truyền tải công suất giữa các phần tử của hệ thống, do đó giảm được dự trữ chung của hệ thống. Phòng ngừa được sự cố lan truyền do hạn chế được ảnh hưởng của sự cố và hỏng hóc các phần tử. Giảm được dao động điện áp có thể gây hại đến các phần tử của hệ thống. Giảm dao động công suất, tăng độ ổn định tĩnh và động của hệ thống, chống sự cố nghẽn mạch hệ thống. 5. MỤC TIÊU LUẬN VĂN Đề suất thiết bị phân bố dòng công suất trên đường dây truyền tải, nhằm giải quyết các vấn đề phân bố công suất. Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các ứng của SSSC trong điều khiển phân bố công suất trong hệ thống điện. 6. GIỚI HẠN LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn là xây dựng, trình bày sự thay đổi dòng công suất trên đường dây truyền tải khi gắn thiết bị SSSC. Luận văn còn hạn chế khi chỉ mới mô phỏng trên phần mềm để thấy được sự phân bố dòng công suất khi gắn thiết bị SSSC. Ngoài ra, luận văn cũng mới chỉ ra một vài ứng cơ bản của SSSC là điều khiển dòng công suất, cũng như tăng khả năng ổn định hệ thống điện. 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phân tích các cơ sở lý thuyết để đưa ra các thông số phù hợp cho mô hình mô phỏng. 16
19. 8. NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn được thiết kế dựa trên các cơ sở lý thuyết về điều khiển và phân bố dòng công suất trong hệ thống điện. Để nâng cao công suất truyền tải trong hệ thống điện thì có rất nhiều phương án được lựa chọn. SSSC là một trong những thiết bị thực hiện tốt công việc này. Phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày chi tiết và đầy đủ các cơ sở lý thuyết để mô phỏng. . Chương 2: Tổng quan về hệ thống điện Chương này sẽ trình bày và giải thích về sự tồn tại của các thông số trong hệ thống điện, từ đó giúp ta có cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống điện. . Chương 3: Cơ sở lý thuyết Phần đầu của chương này trình bày các quan hệ cơ bản trong phân bố công suất của một hệ thống điện. Ngoài ra, phần này cũng nêu lên các phương pháp bù cơ bản được sử dụng trong hệ thống điện. Phần tiếp theo của chương là trình bày về mô hình cơ bản của SSSC. Các nguyên lý cấu tạo, chức năng, nhiệm vụ của SSSC sẽ được trình bày để làm nền tảng lý thuyết cho phần mô phỏng. . Chương 4: Điều khiển phân bố công suất sử dụng SSSC . Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Nhận xét đánh giá kết quả nhận được sau khi hoàn thành luận văn, từ đó đưa ra các phương án phát triển, đó chính là nội dung và nhiệm vụ của chương này. 17
20. PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN Hệ thống điện là tập hợp tất cả các thiết bị điện dùng để sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng. Tức là hệ thống điện bao gồm tất cả các nhà máy, trạm biến áp, đường dây và các đối tượng dùng điện. Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống năng lượng. Mỗi bộ phận cấu thành hệ thống điện được gọi là phần tử của hệ thống. Mạng điện là tập hợp các trạm biến áp, các trạm phấn phối, đường dây trên không, đường dây cáp ngầm có nhiệm vụ tiếp nhận, biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác cho phù hợp và phân phối điện năng cho các hộ tiêu dùng điện. Cấu trúc của mạng điện được phân loại như mạng điện hở, mạng điện kín, mạng điện hình tia. Hình 2.1: Mô hình hệ thống điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ 2. CÁC THÔNG SỐ CỦA DÂY DẪN 2.1. Sự tồn tại các thông số 18
21. Thông số của dây dẫn đặc trưng cho quá trình vật lý xảy ra trong dây dẫn khi có điện áp xoay chiều đặt trên dây dẫn hoặc khi có dòng điện xoay chiều đi qua. Mô hình đầy đủ đường dây phân phối khi có điện áp hoặc dòng điện xoay chiều đi qua được đặc trưng bởi các thông số như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn ứng với 4 quá trình vật lý xảy ra trên dây dẫn. - Dây dẫn phát nóng do hiệu ứng Joule. Một phần công suất qua lưới tải bị mất để làm nóng dây dẫn và một phần điện áp cũng bị tổn hao do hiện tượng này. Quá trình này được đặc trưng bởi điện trở của dây dẫn r0. - Dòng điện xoay chiều gây ra từ trường tự cảm của từng dây dẫn và hổ cảm giữa các dây dẫn với nhau. Từ trường gây ra tổn thất công suất phản kháng và tổn thất điện áp và được đặc trưng bởi điện kháng x0 . - Điện áp xoay chiều gây ra điện trường giữa các dây dẫn và giữa các dây dẫn với đất vì giữa các dây dẫn với nhau và giữa các dây dẫn và đất có sự chênh lệch điện áp tương đối lớn xem như các bản của một tụ điện. Điện trường này gây ra dòng điện điện dung có tác dụng làm triệt tiêu một phần dòng điện cảm (của phụ tải) chạy trong dây dẫn. Quá trình này được đặc trưng bởi dung dẫn b0 hoặc là công suất phản kháng dung tính q0 (kVar/km) của đường dây, công suất này có giá trị đáng kể ở các đường dây có điện áp định mức từ 110 kV trở lên. - Điện áp cao gây trên bề mặt dây dẫn cường độ điện trường, nếu cường độ điện trường này lớn hơn một mức nào đó sẽ gây ion hóa không khí quanh dây dẫn gọi là hiện tượng "vầng quang". Vầng quang điện làm tổn thất một phần điện năng gọi là tổn thất vầng quang. Điện áp cao cũng gây ra dòng điện rò trên cách điện của cáp và trên bề mặt cách điện khác làm tổn thất một phần điện năng. Các tổn thất này được đặc trưng bởi điện dẫn g0. Điện dẫn g0 chỉ được tính khi đường dây điện có điện áp định mức từ 330 kV trở lên vì điện áp thấp hơn nên tổn thất vầng quang và rò điện rất nhỏ. Các thông số của dây dẫn rải đều trên toàn độ dài của dây. 19