Luận văn Xác định vị trí lắp đặt TCSC trên lưới điện truyền tải khu vực phía Nam Việt Nam (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Xác định vị trí lắp đặt TCSC trên lưới điện truyền tải khu vực phía Nam Việt Nam (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 NGUYỄN HỒ HỮU LỘC XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ LẮP ĐẠT TCSC TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM S K C 0 0 3 96 51 93 NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 7 1 5 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒ HỮU LỘC XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ LẮP ĐẠT TCSC TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS QUYỀN HUY ÁNH Tp. Hồ Chí Minh, 2012
3. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ và tên: NGUYỄN HỒ HỮU LỘC Ngày 10 tháng 03 năm sinh: 1984 Nơi sinh: Tiền Giang Địa chỉ liên lạc: 666/17-Huỳnh Tấn Phát-Phƣờng Tân Phú–Quận 7-Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0976.871.681 Email: nguyenhohuulocptc4@gmail.com Quá trình đào tạo: • Từ năm 2004 đến năm 2009 theo học ngành Điện Khí Hóa Cung Cấp Điện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. • Từ năm 2010 đến năm 2012 theo học Cao học ngành Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Quá trình công tác: • Từ năm 2009 đến nay công tác tại Công ty Truyền Tải Điện 4; địa chỉ: số 07 Quốc lộ 52, Phường Trường Thọ, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh. NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang i
4. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TP. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2012 Người viết cam đoan Nguyễn Hồ Hữu Lộc NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang ii
5. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH CẢM TẠ Trong thời gian học tập tại trường ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, với sự dạy bảo tận tình của các thầy cô trong Khoa Điện và quí thầy cô trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, em đã học tập được rất nhiều kiến thức quí báu và những kinh nghiệm thực tế từ quí thầy cô. Với vốn kiến thức tích luỹ này đã góp phần xây nền tảng cho em vững tin bước vào lĩnh vực kỹ thuật trong tương lai. Qua luận văn này, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH người Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian qua để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè và người thân trong gia đình đã luôn luôn cố gắng tạo điều kiện, giúp đỡ động viên em trong quá trình thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2012 Người thực hiện. Nguyễn Hồ Hữu Lộc NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang iii
6. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH TÓM TẮT Những hệ thống điện hiện hữu luôn tồn tại các nhánh xung yếu nhất có khả năng dẫn đến quá tải thường xuyên. Khi mạng lưới truyền tải điện bị quá sẽ là một trong những nguyên nhân dẫn đến hệ thống bị sụp đỗ. Bằng nhiều giải pháp, các nhà cung cấp điện luôn tìm cách giảm suất sự cố để hệ thống điện về gần với trạng thái ổn định. Một trong những giải pháp được đề cập trong nội dung nghiên cứu này là ứng dụng tính hiệu quả của TCSC trong điều khiển dòng công suất trên lưới để chống quá tải . Để giải quyết bài toán đặt ra, nội dung nghiên cứu được trình bày như sau. Nghiên cứu lý thuyết mặt cắt tối thiểu, ứng dụng giải thuật của chương trình max-flow xác định tập hợp những nhánh yếu nhất của hệ thống điện, mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới cho bài toán chống quá tải. Nội dung nghiên cứu cũng chỉ ra rằng; vấn đề cốt lõi của bài toán chống quá tải là làm sao xác định được điểm quá tải thường xuyên. Giải thuật đã đề xuất giải quyết được vấn đề này. Hướng tiếp cận mới trong nội dung nghiên cứu này chính là sự kết hợp giữa giải thuật đề xuất và phần mềm giải bài toán phân bố công suất Powerworld cùng với tính năng ưu việt của TCSC để chống quá tải hệ thống điện. Kết quả của sự kết hợp là lưu đồ xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của TCSC trên lưới điện truyền tải. Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp đã đề xuất được kiểm chứng trên hệ thống điện truyền tải miền Nam Việt Nam. NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang iv
7. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH SUMMARY The existing electrical system there is always the most critical branch is likely to lead to frequent overload. When the transmission network will be one of the causes leading to system collapse. By many measures, the power supply always looking for ways to reduce the problem to the system capacity close to the steady state. One of the solutions mentioned in the content of this research is the effective application of TCSC control power flows on the grid to overload. To solve the problem posed, research contents are as follows. Research minimun cut-set theoretically, suggested max-flow algorithms application to determine collect electrical system's most weak branchs open up many new research problems against overload. Content research also indicates that; matter of anti-overload problem is how to define such overload often. Algorithm proposed solving this problem. Approaches in the contents of this research is the combination of proposed algorithms and software power distribution calculation Powerworld with premium features of TCSC to fight overload the electrical system. The result of the combination is to locate and map the optimal compensation of TCSC capacity on the transmission grid. The effectiveness and the applicability of the proposed solution has been tested on the electricity transmission system in South Vietnam. NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang v
8. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Tóm tắt lý lịch trích ngang i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các từ viết tắt viii Danh sách các hình và các hình ix PHẦN A: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1. Đặt vấn đề 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2 2.1 Mục tiêu của đề tài 2 2.2 Nhiệm vụ của đề tài 2 3. Điểm mới của luận văn 2 4. Giá trị thực tiễn của đề tài 2 PHẦN B: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS 1.1 Tính cần thiết của việc xác định vị trí FACTS 3 1.1.1 Giá điện thị trường 3 1.1.2 Những ứng dụng và lợi ích của FACTS 4 1.1.3 Vấn đề trọng tâm 5 1.2 Mô hình toán học của TCSC 6 1.2.1 Nguyên lý cấu tạo TCSC 6 1.2.2 Mô hình toán học của TCSC 8 1.2.3 Ứng dụng TCSC vào điều khiển dòng công suất 9 1.3 Các nghiên cứu sử dụng FACTS trong chống nghẽn mạch 11 NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang vi
9. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH 1.3.1 Tổng quan về các công trình thí nghiệm trước đây 12 1.3.2 Nhận xét 12 1.4 Các vấn đề cần cải tiến 12 1.5 Mặt cắt cực tiểu và dòng công suất cực đại 14 1.5.1 Cơ sở lý thuyết về mặt cắt tối thiểu và dòng công suất cực đại 14 1.5.2 Ứng dụng trong hệ thống điện 16 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC 2.1 Phương pháp xác định mặt cắt tối thiểu 20 2.2 Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu-luồng công suất cực đại 22 2.3 Bài toán phân bố công suất 30 2.4 Xác định vị trí của TCSC 33 2.5 Dung lượng bù TCSC 35 2.6 Lưu đồ xác định vị trí và dung lượng TCSC 36 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM POERWORD ĐỂ MÔ PHỎNG LƢỚI ĐIỆN 3.1 Sơ đồ lưới điện 500kV 39 3.2 Sơ đồ lưới điện 220kV 52 PHẦN C: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 1. Kết luận 59 2. Hướng phát triển đề tài 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 65 NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang vii
10. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Current FACTS Flexible AC Transmission Systems SSSC Static Synchronous Series Compensator STATCOM Static Synchronous Compensator SVC Static Var Compensator TCPST Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer TCR Thyristor Controlled Reactor TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor TCVR Thyristor Controlled Voltage Regulator UPFC Unified Power Flow Controller VSC Voltage Source Converter NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang viii
11. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ CÁC BẢNG Trang Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của TCSC 6 Hình 1.2: Mô hình toán của TCSC 8 Hình 1.3: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC 9 Hình 1.4: Đơn giản hoá mô hình TCSC trên nhánh i-j 10 Hình 1.5: Chi phí đầu tư vận hành theo công suất bù 13 Hình 1.6: Sơ đồ mạng với nguồn phát s, tải thu t và hai nút trung gian 15 Hình 1.7: Mô hình hoá mạng với một số lát cắt tiêu biểu 15 Hình 1.8: Mô hình hệ thống điện đơn giản 16 Hình 1.9: Mô hình hoá sơ đồ mạng điện truyền tải 2 nút 17 Hình 1.10: Vị trí và thông lượng các lát cắt trên sơ đồ mô hình hóa 17 Hình 1.11: Vị trí của lát cắt cực tiểu trên mạng mô hình hoá 18 Hình 2.1: Đồ thị vô hướng với các trọng số G = (V, E) 20 Hình 2.2: Sau khi cắt nút 1 cộng giá trị w(1,2) và w(1,5) 20 Hình 2.3: Sau khi cắt nút số 8 cộng giá trị w(4,7) và w(4,8) 20 Hình 2.4: Sau khi cắt nút 7,8 cộng giá trị w(3,4) và w(3,7) 20 Hình 2.5: Sau khi cắt nút 4, 7, 8 22 Hình 2.6: a) Sau khi cắt nút 3 cộng giá trị w(2,3) và w(2,6) 22 b) Sau khi cắt đồ thị cách ly nút 2 V\{2} và {2} 22 Hình 2.7: a. Mô hình hoá hệ thống điện; b. Mô hình hoá thông số trên các nhánh 23 Hình 2.8: Lưu đồ giải thuật xác định luồng công suất cực đại 24 Hình 2.9: Dữ liệu nhập vào cho sơ đồ mô hình hoá 30 Hình 2.10: Danh sách các lát cắt sau khi chạy chương trình 30 Hình 2.11: Nút đại diện của một hệ thống điện 31 Hình 2.12: a) Điều chỉnh công suất máy phát 1. 32 b) Điều chỉnh công suất máy phát 2. 32 Hình 2.13: Lưu đồ xác định vị trí và dung lượng TCSC 38 Hình 3.1: Sơ đồ lưới điện 7 nút 39 Hình 3.2: Dữ liệu nhập vào chương trình tính max-flow cho sơ đồ mô hình hoá 40 NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang ix
12. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Hình 3.3: Danh sách các đường cắt khi sau khi chạy chương trình 41 Hình 3.4: Mô phỏng phân bố công suất bằng Powerworld 42 Hình 3.5: Mô phỏng vị trí lắp đặt TCSC trên lưới bằng Powerworld 42 Hình 3.6: Mô phỏng vị trí lắp đặt TCSC trên lưới bằng Powerworld 43 Hình 3.7: Thông số đầu vào khi tải tại nút 3 tăng 20% 45 Hình 3.8: Danh sách lát cắt khi tăng tải tại nút 3 45 Hình 3.9: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 3 46 Hình 3.10: Thông số nhập vào khi tăng tải 20% tại nút 4 46 Hình 3.11: Danh sách lát cắt khi tăng tải tại nút 4 47 Hình 3.12: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 4 47 Hình 3.13: Thông số nhập vào khi tăng tải 20% tại nút 2 48 Hình 3.14: Danh sách lát cắt khi tăng tải tại nút 2 48 Hình 3.15: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 2. 49 Hình 3.16: Thông số đầu vào khi tăng tải toàn bộ hệ thống 49 Hình 3.17: Danh sách các lát cắt khi tăng tải toàn bộ hệ thống 50 Hình 3.18: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 2,3,4 50 Hình 3.19: Sơ đồ lưới điện truyền tải 15 nút 52 Hình 3.20: Dữ liệu nhập vào chương trình max-flow đối với lưới điện 15 nút 53 Hình 3.21: Mô hình hoá lưới điện 15 nút chạy bằng giải thuật max-flow 53 Hình 3.22: Mô phỏng phân bố công suất bằng powerworld 54 Hình 3.23: Mô phỏng phân bố công suất sau khi bù TCSC 55 Hình 3.24: Mô hình hoá lưới điện 15 nút bằng Max-flow 56 Hình 3.25: Mô phỏng lưới điện bằng powerworld khi tăng tải tại Thủ Đức 56 Hình 3.26: Mô hình hoá lưới điện 15 nút bằng Max-Flow 57 Hình 3.27: Mô phỏng lưới điện bằng powerworld khi tăng tải toàn hệ thống 57 Bảng 1.1: Chi phí đầu tư trên 1kVar của các thiết bị FACTS 13 Bảng 1.2: Vị trí và thông lượng của các lát cắt 17 Bảng 1.3: Các trường hợp xảy ra vị trí lát cắt 18 Bảng 2.1: Danh sách lát cát và thông lượng của các lát cắt 29 Bảng 3.1: Hiển thị thông số công suất trước và sau khi bù 43 NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang x
13. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Bảng 3.2: Hiển thị thông số trước công suất và sau khi bù 44 Bảng 3.3: Giá trị XTCSC bù và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lưới điện 7 nút 51 Bảng 3.4: Giá trị XTCSC , công suất trên lưới điện 15 nút trước và sau khi bù 58 NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang xi
14. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH PHẦN A: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, khi mà các nguồn tài nguyên thiên nhiên sẵn có không đủ đáp ứng nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng của con người; bên cạnh việc tìm kiếm những nguồn tài nguyên và nhiên liệu mới thay thế thì việc quy hoạch, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên sẵn có cũng là vấn đề quan tâm hàng đầu của ngành công nghiệp điện năng. Một trong những khía cạnh đó là việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào quản lý và vận hành lưới điện sao cho tổng chi phí sản xuất vận hành lưới điện là nhỏ nhất để giá thành tới người sử dụng là thấp nhất. Điều này là hợp lý khi hình thành một thị trường mới mẻ - thị trường điện. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về vận hành tối ưu hệ thống điện. Một trong các bài toán đặt ra là phân bố luồng công suất tối ưu còn được biết đến như phương pháp điều khiển dòng công suất trên lưới điện truyền tải nhằm: Hạn chế quá tải trên đường dây ở thời điểm hiện tại cũng như khi mở rộng phụ tải trong tương lai. Đây là nguyên nhân chính gây nên giá sản xuất điện năng tăng cao. Có nhiều phương pháp để giải quyết bài toán quá tải như: Điều chỉnh công suất phát của nhà máy, xây dựng các đường dây song song sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng tại chỗ nhưng các giải pháp này không đảm bảo được chi phí là thấp nhất nên không thoả điều kiện giảm giá thành sản xuất điện năng. Việc sử dụng các thiết bị FACTS điều khiển dòng công suất trên đường dây còn được biết đến như biện pháp chống nghẽn mạch, giảm rủi ro về mất điện, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, đảm bảo lợi ích kinh tế, đồng thời tránh được tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch. Một số công trình nghiên cứu cũng cho thấy rằng, việc sử dụng các thiết bị FACTS để điều khiển dòng công suất sẽ hạn chế được quá tải trên đường dây từ đó làm giảm chi phí sản xuất điện năng, tăng giá trị phúc lợi xã hội. Vấn đề là chọn thiết bị FACTS nào là thoả mãn chi phí nhỏ nhất. Thực nghiệm cho thấy khả năng điều khiển điện áp, điều khiển trào lưu công suất và cải thiện ổn định điện áp tại các nút của TCSC là tốt hơn so với dùng tụ bù dọc SVC; chi phí đầu tư trên một đơn vị công suất bù của TSCS cũng nhỏ hơn so với các loại thiết bị khác. NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 1
15. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tuy nhiên, chi phí cho một thiết bị bù TCSC không nhỏ. Do đó, không thể lắp đặt trên toàn bộ hệ thống truyền tải điện. Với mục tiêu tổng chi phí vận hành và điều khiển hệ thống điện bao gồm: chi phí phát điện, chi phí truyền tải phân phối, chi phí cho thiết bị bù TCSC phải nhỏ nhất. Do đó, cần xác định vị trí lắp đặt thiết bị bù TCSC trên mạng phân phối truyền tải điện để đồng thời giải quyết được cả hai vấn đề: kinh tế và kỹ thuật. Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây đã đạt được, đề tài “Xác Định Vị Trí Lắp Đặt TCSC Trên Lƣới Điện Truyền Tải Phía Nam Việt Nam” với mục đích xây dựng giải thuật tìm kiếm vị trí tối ưu của TCSC giải quyết những hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây. 2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục tiêu của đề tài  Tìm hiểu về thuật toán tìm luồng công suất cực đại;  Nguyên lý cấu tạo, hoạt động và mô hình toán của TCSC;  Vị trí tối ưu của TCSC trên lưới điện truyền khu vực phía Nam Việt Nam. 2.2 Nhiệm vụ của đề tài  Nghiên cứu về thuật toán luồng công suất cực đại;  Sử dụng TCSC để điều khiển phân bố dòng công suất trên lưới điện;  Xác định vị trí tối ưu của TCSC trên lưới điện truyền tải;  Ứng dụng thuật toán để giải bài toán cụ thể; 3. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN  Ứng dựng giải thuật lắt cắt xác định vị trí tối ưu của TCSC để áp dụng trên lưới điện truyền tải khu vực phía Nam Việt Nam và kiểm tra bằng phần mềm PowerWord. 4. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI  Xác định vị trí lắp đặt TCSC trên lưới điện truyền tải Miền Nam Việt Nam để giải quyết bài toán chóng nghẽn mạch. NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 2
16. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH PHẦN B: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS 1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ FACTS 1.1.1 Giá điện thị trƣờng Khi vận hành hệ thống điện trong thị trường, chi phí của tổ máy phát thứ i trong nhà máy điện là [4,12,33]: 2 CPPPi() gi 0 i gi 1 i gi 2 i (1.1) Ở đây: Pgi là công suất phát của tổ máy thứ i, 0i, 1i, 2i lần lượt là hệ số chi phí của máy phát i. Do đó, tổng chi phí của các nhà máy phát điện được tính theo biểu thức: CCPG  i() gi (1.2) Mục tiêu của các nhà máy sản xuất điện năng là tìm cách giảm chi phí sản xuất điện sao cho tổng chi phí phát điện phải là nhỏ nhất: C Min C() P 1  i gi (1.3) Giá thành điện năng là tổng chi phí để sản xuất ra một đơn vị điện năng. Giá điện này khi đưa ra thị trường và tới nơi tiêu thụ, cộng các chi phí vận chuyển sẽ hình thành nên giá bán điện trên thị trường. Do đó, giá bán điện được xác định tính từ giá thành sản xuất điện năng tối thiểu C1. Trong thị trường điện, sự cạnh tranh về giá cả luôn khiến các nhà sản xuất phải hướng đến mục tiêu tối thiểu hoá tổng chi phí của hệ thống điện, nghĩa là tìm cách đưa tổng chi phí phát điện về giá trị C1. Điều này đồng nghĩa với việc giảm giá thành sản xuất trên một đơn vị điện năng và giá bán điện cũng giảm theo. Giả sử ở giá trị chi phí phát điện tối thiểu C1 lượng công suất phát của các nhà máy điện và phụ tải có sự cân bằng theo biểu thức: n PPgi L (1.4) 1 Khi có sự gia tăng phụ tải vượt quá độ dự trữ cho phép của hệ thống, những sự cố đường dây dẫn đến nghẽn mạch – quá tải trên một số tuyến đường dây của mạng điện. Nghĩa là khi phụ tải điện thay đổi tăng lên một lượng PL thì theo biểu thức (1.4), để giải quyết sự cố nghẽn mạch trên hệ thống truyền tải điện cần thay đổi công suất NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 3
17. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH phát của các tổ máy trong các nhà máy điện một lượng là Pgi. Như vậy, chi phí cho sản xuất ra một đơn vị điện năng trong trường hợp này theo biểu thức (1.3) sẽ là CCPC21  i() gi . Khi chi phí sản xuất điện năng tăng cao thì giá bán điện đến hộ tiêu thụ cũng tăng theo. Điều này gây bất lợi cho nhà cung cấp trong việc gia tăng doanh số bán hàng trên thị trường cũng như những nỗ lực giành thị phần. Những phân tích trên đây cho thấy: khi có sự thay đổi phụ tải hay sự cố hệ thống điện sẽ dẫn tới giá bán điện trên thị trường tăng lên do chi phí để sản xuất điện tăng. Cho dù vận hành lưới điện ở bất kỳ trạng thái nào thì các nhà máy sản xuất điện luôn tìm cách đưa các chi phí C2 trở về gần với trạng thái ban đầu nhất: C2 C1. 1.1.2 Những ứng dụng và lợi ích 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 NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 4
18. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH 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. 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. Nhìn chung, các lợi ích ứng dụng của các thiết bị FACTS có thể được tóm tắt như sau: 1. Giữ được khả năng tải của đường dây gần với giới hạn phát nóng. 2. 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. 3. Phòng ngừa được sự cố lan truyền do hạn chế được ảnh hưởng của sự cố và hỏng hóc các phần tử. 4. Giảm được dao động điện áp có thể gây hại đến các phần tử của hệ thống. 5. Giảm dao động công suất, tăng độ ổn định tĩnh và động của hệ thống. 6. chống sự cố nghẽn mạch hệ thống. 1.1.3 Vấn đề trọng tâm Trọng tâm của việc nghiên cứu sau đây là sử dụng thiết bị FACTS chống nghẽn mạch hệ thống điện, thay thế cho giải pháp thay đổi lại luồng công suất phát của các tổ máy phát điện. Do đó, có thể đưa chi phí phát điện lúc có sự cố nghẽn mạch C2 trở về trạng thái ban đầu hoặc gần với chi phí sản xuất điện C1 khi chưa có sự cố. Việc giảm chi phí phát điện cũng dẫn đến giảm giá bán điện, tránh hiện tượng tăng giá hay đầu cơ trên thị trường. Tuy thiết bị FACTS có nhiều ưu điểm trong việc điều khiển hệ thống điện nhưng chi phí cho một thiết bị FACTS cũng là vấn đề cần quan tâm. Các công trình nghiên cứu trước đây cho thấy: TCSC là một thiết bị FACTS có khả năng đáp ứng được những yêu cầu thay đổi luồng công suất trong mạng điện chống nghẽn mạch khi có sự cố; chi phí lắp đặt một thiết bị TCSC nhỏ hơn nhiều so với chi phí lắp đặt các loại thiết bị khác. NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 5
19. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Bài toán đặt ra ở đây là tìm lắp đặt thiết bị bù TCSC hợp lý trên hệ thống điện để có thể đảm bảo dung lượng của thiết bị bù là nhỏ nhất, đồng thời thoả mãn điều kiện chống nghẽn mạch hệ thống điện khi phụ tải và nguồn cung cấp thay đổi liên tục. Để giải bài toán này cần xác định các điểm có khả năng thường xuyên dẫn đến nghẽn mạch hệ thống khi có bất kỳ sự thay đổi nào. Hiện nay, giải thuật Max- Flow Min-Cut được đề xuất để xác định tập hợp những nhánh xung yếu nhất trong mạng điện có khả năng gây ra sự cố quá tải thường xuyên trong hệ thống điện. 1.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TCSC 1.2.1 Nguyên lý cấu tạo TCSC Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC) là một phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS). Nó được mở rộng từ các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng được điều khiển bằng thyristor. Bộ phản ứng này mắc song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù dọc điện kháng thay đổi liên tục và nhanh chóng. Những lợi điểm chủ yếu của TCSC là: Tăng công suất truyền tải; Giảm các dao động công suất; Giảm các cộng hưởng đồng bộ; Điều khiển dòng công suất đường dây. TCSC bao gồm ba phần tử chính: Tụ bù C, cuộn kháng bù nối vào mạch thyristor và hai thyristor điều khiển SCR1 và SCR2 (hình 1.1) Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của TCSC Các góc mở của thyristor được điều khiển để điều chỉnh điện kháng TCSC phù hợp với hệ thống. Khi các thyristor được kích thích, TCSC có thể được mô tả dưới dạng toán học như sau [3,5,17]: dv iC (1.5) C dt NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 6
20. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH di vL L (1.6) dt iSCL i i (1.7) iL và iC lần lượt là giá trị dòng điện tức thời qua tụ điện và cuộc cảm; iS là dòng điện tức thời của đường dây truyền tải được điều khiển; v là điện áp tức thời qua TCSC. Tổng trở tương đương của mạch LC: 1 Z (1.8) td 1 jC  L Như vậy, TCSC có thể được điều khiển để làm việc ở trạng thái mang tính điện kháng (C >1/L) có tính dung thay đổi hoặc ở trạng thái cảm kháng (C<1/L) và tránh làm việc ở trạng thái cộng hưởng (C =1/L). Dòng điện đi qua cuộn cảm được xác định theo công thức 2 k cos  (1.9) iL( t ) 2 I m cos t cos r t kk 1 cos   1 1 X với 1 , r C r k  LC  L C X L XC là điện kháng định mức của tụ cố định C. Điện áp tụ ở trạng thái vận hành bình thường tại thời điểm t = - là: I X v m C (sin  k cos  tank) (1.10) C1 k 2 1 Tại t= ; iT = 0, điện áp tụ được xác định: vC (t ) vC2 vC1 Điện áp tụ sau khi tính toán là: I X cos  v (t) m C ( sint k sin t)  t  C k 2 1 cos k r v (t) v I X (sint sin ) C C2 m C  t  Điện kháng TCSC tương đương XTCSC được tính theo tỉ số của VCF và `Im: V X 2 2 sin 2 4X 2 cos 2  k tan  tan  CF C C (1.11) X TCSC ( ) X C   2  I m (X C X L ) (X C X L ) (k 1) Điện kháng của TCSC trên đơn vị XC được biểu thị bằng Xnet = XTCSC / XC là: NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 7
21. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH X  sin 4X cos 2 ( / 2) k tan(k / 2) tan( / 2) C C   (1.12) X net 1   2  (X C X L ) (X C X L ) (k 1) Với  = 2( - ) là góc dẫn của bộ điều khiển TCSC. 1.2.2 Mô hình toán học của TCSC Mô hình toán của TCSC có cấu trúc gồm các khối như Hình 1.2, bao gồm: khối khuếch đại KT, bộ lọc tín hiệu và hai khối bù sớm pha, trễ pha [3,5,18]: Hình 1.2: Mô hình toán của TCSC Hàm truyền của bộ điều khiển TCSC là: sTw3 1 sT1 1 sT u KT y (1.13) 1 sTw 1 sT 2 1 sT 4 Với u và y là tín hiệu ngõ ra và ngõ vào của TCSC. Tw là hằng số thời gian của bộ lọc tín hiệu có giá trị từ 1s đến 20s và không có tiêu chuẩn nào để chọn lựa, thông thường chọn giá trị 10s cho các nghiên cứu trước đây. Các bộ bù được giả thiết là T1=T3 và T2=T4. Với các giá trị T1, T2 đã xác định thì tín hiệu ngõ vào của TCSC là sự thay đổi tốc độ  và tín hiệu ngõ ra của nó là sự thay đổi góc kích bằng cách thay đổi góc dẫn của thyristor  theo biểu thức: =2( - ). Khi đó, giá trị điện kháng của hệ thống có đặt TCSC tuỳ thuộc vào góc kích và được tính như sau [16]: Xline =X ij +X TCSC( ) (1.14) Như vậy, thông qua sự thay đổi tốc độc  ở ngõ vào thì ngõ ra của bộ điều khiển TCSC có thể làm thay đổi góc kích và góc dẫn của Thyristor. Từ đó, thay đổi giá trị điện kháng bù vào đường dây điều khiển dòng công suất. NGUYỄN HỒ HỮU LỘC trang 8