Giới thiệu
Đặt vấn đề
Đất nước đang phát triển nhanh chóng, nhưng nguồn tài nguyên thiên nhiên đang cạn kiệt, không đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng điện ngày càng tăng trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt Việc quy hoạch và sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng điện hiện có trở thành ưu tiên hàng đầu của ngành điện Do đó, ứng dụng khoa học kỹ thuật vào quản lý và vận hành hệ thống điện là cần thiết để giảm tổng chi phí sản xuất và truyền tải, từ đó hạ giá thành cho người tiêu dùng Điều này góp phần hình thành một thị trường điện hiệu quả trong sản xuất và tiêu thụ.
Trong quá trình chuyển đổi sang thị trường điện, vấn đề quá tải đường dây không thể tránh khỏi, ảnh hưởng đến sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống điện Việc điều khiển quá tải đường dây là chức năng quan trọng nhằm đảm bảo rằng hệ thống truyền tải không vi phạm các ràng buộc vận hành như giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và ổn định Khi các ràng buộc này bị vi phạm, hệ thống sẽ được xem là đang trong trạng thái quá tải.
Để chống quá tải và nâng cao khả năng truyền tải trên đường dây, các giải pháp như điều độ nguồn phát điện, cắt giảm tải, xây dựng đường dây truyền tải và bù công suất phản kháng được đề xuất Tuy nhiên, điều độ nguồn phát điện có thể làm tăng chi phí sản xuất điện, ảnh hưởng đến khách hàng tiêu thụ Cắt giảm tải có thể tác động tiêu cực đến hoạt động sản xuất công nghiệp và sinh hoạt, không thúc đẩy phát triển kinh tế Mở rộng xây dựng đường dây truyền tải tốn nhiều thời gian và chi phí Do đó, giải pháp bù công suất phản kháng bằng thiết bị FACTS là biện pháp hiệu quả để kiểm soát dòng công suất trên đường dây, giảm nghẽn mạch.
HUTECH cắt điện nhằm tăng độ tin cậy trong truyền tải, giảm chi phí sản xuất điện năng và đảm bảo lợi ích kinh tế cho khách hàng Đồng thời, điều này cũng giúp tránh tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi xảy ra sự cố nghẽn mạch Trong đó, TCSC là thiết bị FACTS mắc nối tiếp, có khả năng điều khiển trực tiếp dòng công suất và nâng cao khả năng tải cho đường dây.
Nhiều nghiên cứu trước đây đã đề xuất các giải pháp xác định vị trí tối ưu cho TCSC trên mạng điện, bao gồm việc sử dụng thuật toán di truyền và đánh giá độ nhạy hệ thống Tuy nhiên, các phương pháp này thường phức tạp và tốn thời gian để chạy phân bố công suất nhằm tìm ra vị trí tối ưu nhất.
Qua các kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây đã đạt được, đề tài
Xác định vị trí và dung lượng hợp lý của TCSC là giải pháp hiệu quả để chống nghẽn mạch trên đường dây truyền tải Mục tiêu chính của nghiên cứu này là xây dựng một thuật toán nhằm xác định vị trí tối ưu cho TCSC, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tải điện và giảm thiểu tình trạng quá tải Việc áp dụng thuật toán này sẽ giúp cải thiện khả năng vận hành của hệ thống điện, đảm bảo cung cấp điện ổn định và tin cậy.
TCSC sử dụng phương pháp mặt cắt tối thiểu nhằm nâng cao khả năng truyền tải, từ đó giảm chi phí sản xuất điện năng và khắc phục những nhược điểm của các công trình nghiên cứu trước đây.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
- Xác định vị trí và dung lượng hợp lý Của TCSC để chống nghẽn mạch trên đường dây
- Xây dựng giải thuật xác định mặt cắt tối thiểu trên graph của hệ thống điện
- Xây dựng giải thuật xác định vị trí và dung lượng TCSC trên lưới điện
- Ứng dụng thực tế và so sánh với một số công trình nghiên cứu về OPF.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu về mặt cắt tối thiểu và luồng công suất cực đại
- Sử dụng TCSC để điều khiển phân bố dòng công suất trên lưới điện
- Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí bù tối ưu của TCSC trên lưới điện truyền tải
- Ứng dụng thuật toán cho bài toán cụ thể.
Các bước tiến hành
- Thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn, sách, các bài báo và internet
- Giải tích và mô phỏng toán học dùng phần mềm Powerworld.
Điểm mới của luận văn
- Xây dựng thuật toán tìm luồng công suất cực đại
- Xây dựng thuật toán để xác định vị trí hợp lý của TCSC trên lưới để nâng cao khả năng truyền tải.
Giá trị thực tiễn của luận văn
- Ứng dụng cho các mô hình hay lưới điện bất kỳ
- Ứng dụng cho các mạch IEEE mẫu trong các bài báo và mạng lưới điện miền nam Việt Nam (lưới điện đồng bằng sông Cửu Long)
- Sử dụng làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện với thiết bị FACTS
- Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học cung cấp điện.
Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn gồm 6 chương:
- Chương 3: Cơ sở lý thuyết
- Chương 4: Mô phỏng ứng dụng
- Chương 5: Khảo sát trên hệ thống điện Việt Nam
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo
Tổng quan
Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện
Trong quá trình vận hành hệ thống điện trong thị trường điện, chi phí của tổ máy phát thứ i trong nhà máy điện là:
P gi : công suất phát của tổ máy thứ i
0i , 1i , 2i : Hệ số chi phí của máy phát i
Do đó tổng chi phí của các nhà máy phát điện được tính theo biểu thức:
Mục tiêu chính của các nhà máy sản xuất điện năng là tối ưu hóa quy trình để giảm thiểu chi phí sản xuất điện, nhằm đảm bảo tổng chi phí phát điện ở mức thấp nhất có thể.
Giá thành điện năng là tổng chi phí sản xuất một đơn vị điện, bao gồm chi phí nguồn phát và truyền tải đến nơi tiêu thụ, cùng các chi phí khác Giá bán điện được xác định dựa trên giá thành sản xuất tối thiểu C1 Trong thị trường điện, cạnh tranh về giá buộc các nhà sản xuất phải tối ưu hóa tổng chi phí hệ thống điện, nhằm giảm giá thành sản xuất trên mỗi đơn vị điện, từ đó kéo theo sự giảm giá bán điện.
Giả sử giá trị chi phí phát điện tối thiểu là C1, thì công suất phát của các nhà máy điện và phụ tải sẽ được cân bằng theo biểu thức tương ứng.
P Gi : công suất phát của các nhà máy
P D : công suất của các phụ tải
Khi phụ tải điện tăng vượt quá mức dự trữ cho phép, hệ thống điện sẽ gặp tình trạng nghẽn mạch trên một số tuyến đường dây Để khắc phục sự cố này, cần điều chỉnh công suất phát của các tổ máy trong nhà máy điện theo lượng tăng thêm của phụ tải, cụ thể là P L Chi phí sản xuất một đơn vị điện năng trong tình huống này sẽ được tính theo công thức đã nêu.
Khi chi phí sản xuất điện tăng, giá bán điện cho hộ tiêu thụ cũng tăng theo, gây khó khăn cho nhà cung cấp trong việc tăng doanh số và cạnh tranh thị phần Bài toán phân bố công suất giữa các nhà máy điện nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất (C1) gặp khó khăn do giới hạn của các đường dây tải điện, dẫn đến việc điều chỉnh công suất phát để tránh quá tải, làm tăng chi phí (C2) Để giảm chi phí từ C2 về C1, cần nâng cao khả năng tải của hệ thống và điều chỉnh góc pha giữa các nút, giúp phân chia công suất truyền tải qua các tuyến dây chưa bị quá tải.
Ngành công nghệ điện tử hiện nay đã có khả năng sản xuất các thiết bị FACTS Tuy nhiên, việc xác định vị trí lắp đặt chính xác cho các thiết bị này là rất quan trọng.
HUTECH hết sức khó khăn vì phải xác định được những nhánh thường xuyên bị quá tải mới đem lại hiệu quả của việc đặt thiết bị FACTS
Để tối đa hóa lợi nhuận, cần cân nhắc số lượng và công suất thiết bị, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng.
Sự thay đổi phụ tải hoặc sự cố hệ thống điện sẽ làm tăng giá bán điện trên thị trường do chi phí sản xuất điện tăng cao Dù lưới điện hoạt động trong trạng thái nào, các nhà máy sản xuất điện luôn nỗ lực đưa chi phí C2 trở về gần với mức ban đầu nhất.
Các công trình nghiên cứu trước đây
2.2.1 Điều độ kế hoạch nguồn phát điện
Phân bố công suất tối ưu (OPF) là kỹ thuật quan trọng giúp đạt được mô hình phát điện chi phí thấp nhất trong hệ thống điện, đồng thời đảm bảo các điều kiện ràng buộc về truyền tải và vận hành Trung tâm vận hành hệ thống độc lập (ISO) đóng vai trò điều độ điện năng giữa các bên tham gia thị trường trong bối cảnh gia tăng hợp đồng song phương Tuy nhiên, sự gia tăng này có thể dẫn đến thiếu hụt nguồn cung, gây nghẽn mạch mạng Nghẽn mạch truyền tải được định nghĩa là tình trạng không đủ khả năng truyền tải để thực hiện tất cả các giao dịch do khẩn cấp không mong muốn Để giảm nghẽn mạch, cần đưa các ràng buộc khả năng truyền tải vào quá trình điều độ và lập kế hoạch, bao gồm tái điều phối nguồn phát hoặc cắt giảm tải Tài liệu này trình bày bài toán OPF với mục tiêu tối thiểu hóa công suất tác dụng (MW) khi điều chỉnh kế hoạch, đồng thời xem xét sự điều phối hợp đồng song phương trong trường hợp nghẽn mạch nghiêm trọng.
HUTECH hiểu rằng mọi sự thay đổi trong hợp đồng song phương đều ảnh hưởng đến công suất bơm vào của cả người mua và người bán, dẫn đến việc vận hành nguồn phát ở một điểm cân bằng mới Điều này được xác định bởi điều kiện giá cận biên bằng nhau Các mô hình toán học giá truyền tải có thể được áp dụng trong cơ chế điều phối để tạo ra tín hiệu giá tương ứng Những tín hiệu này có thể giúp định giá nghẽn mạch và hướng dẫn các nhà tham gia thị trường điều chỉnh công suất bơm vào hoặc lấy ra nhằm tránh tình trạng nghẽn mạch.
Phương pháp điều độ kế hoạch nguồn phát của tác giả chỉ tập trung vào điều kiện ràng buộc dòng công suất tác dụng trên đường dây truyền tải, mà chưa xem xét các yếu tố quan trọng khác như điều kiện ràng buộc về điện áp nút, góc lệch pha và xác định giá điện tại các nút Việc đưa những điều kiện này vào trong quá trình điều độ kế hoạch nguồn phát là cần thiết để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và kinh tế.
Trong các hệ thống phi điều tiết, nghẽn mạch truyền tải là một vấn đề chính có thể gây ra đột biến giá Tình trạng này xảy ra khi khả năng truyền tải không đủ để đáp ứng nhu cầu của tất cả khách hàng Để giảm bớt nghẽn mạch trong các trạng thái nghiêm trọng, có thể cắt giảm một phần các giao dịch không ổn định.
Hình 2.1a: Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch
Hệ thống 2 nút trình bày trong Hình 2.1a cho thấy sự nghẽn mạch truyền tải với đầu ra công suất tác dụng cực đại của máy phát là 120MW, trong khi giới hạn công suất đường dây truyền tải chỉ là 100MVA Điều này dẫn đến quá tải trong đường dây để đáp ứng nhu cầu tải Để giảm nghẽn mạch, tải đã được cắt giảm từ 120MW xuống 100MW như thể hiện trong Hình 2.1b, loại bỏ hoàn toàn tình trạng nghẽn mạch Phương pháp điều độ tải là một giải pháp hiệu quả, nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng chuyển tải, mức độ sự cố và khả năng mang tải của hệ thống điện Mặc dù biện pháp cắt tải có thể nhanh chóng giải quyết vấn đề, nhưng nó cũng làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và hạn chế khả năng phát triển tải trong tương lai, do đó chỉ nên áp dụng trong các trường hợp khẩn cấp.
2.2.3 Mở rộng đường dây truyền tải
Mở rộng đường dây truyền tải là giải pháp quan trọng nhằm cải thiện và củng cố hệ thống phát điện và mạng truyền tải hiện tại, phục vụ cho sự phát triển tối ưu của thị trường điện Để giải quyết bài toán này, cần đáp ứng các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật Các phương pháp như phân tích Bender, tìm kiếm Tabu và thuật toán Gen đã được áp dụng để nghiên cứu và phát triển các giải pháp hiệu quả.
Mặc dù có thể giảm thiểu chi phí nghẽn mạch thông qua các phương pháp quản lý hiệu quả, nhưng cần lưu ý rằng chi phí biên của nghẽn mạch vẫn sẽ cao hơn so với chi phí biên của việc giảm nghẽn mạch.
HUTECH đang đầu tư mở rộng khả năng truyền tải để nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí nghẽn mạch Việc giảm thiểu chi phí nghẽn mạch cao sẽ là động lực chính để mở rộng khả năng truyền tải.
Mặc dù phương pháp mở rộng đường dây truyền tải mang lại lợi ích, nhưng nó cũng gặp nhiều hạn chế như tốn thời gian, chi phí cao, và phụ thuộc vào các ràng buộc pháp lý cũng như quy định về đền bù giải tỏa.
Các nghiên cứu trước đây về ứng dụng của FACTS trong vận hành và điều khiển hệ thống điện chủ yếu tập trung vào các thiết bị như TCSC, TCVR, TCPST, SVC và UPFC Mặc dù có sự khác biệt trong xuất phát điểm và cách tiếp cận, nhưng các công trình nghiên cứu đều hướng đến việc cải thiện hiệu quả của thiết bị FACTS trong điều khiển hệ thống điện.
Giải thuật Gen được sử dụng để tìm kiếm giải pháp tối ưu thông qua phần mềm máy tính, trong đó thông số của thiết bị FACTS và mạng điện được mã hoá Các toán tử đột biến và lai chéo được áp dụng để giải bài toán phân bố công suất, đưa kết quả vào không gian tìm kiếm Thông số ban đầu được tự động lưu trữ và cập nhật nhằm tăng cường tính đa dạng trong phạm vi tìm kiếm giải pháp, đúng như mục tiêu của giải thuật.
Một phương pháp truyền thống phổ biến là liệt kê thử nghiệm, trong đó các đường dây trong mạng được liệt kê và chọn lựa X TCSC u%X line cố định Giá trị bù này được thử nghiệm trên tất cả các nhánh của mạng điện để xác định vị trí tối ưu theo hàm mục tiêu ban đầu Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vị trí tối ưu của TCSC có thể gia tăng tổng khả năng truyền tải của hệ thống hoặc tối đa hóa phúc lợi xã hội mà nó mang lại.
Công trình nghiên cứu của M.A.Khaburi và M.R.Haghifam sử dụng phương pháp phân vùng để giới hạn phạm vi tìm kiếm giải pháp, tức là chia mạng điện thành hai vùng theo cách chủ quan, trong đó vùng có nhiều máy phát tập trung được gọi là.
HUTECH phân chia thành hai vùng: vùng nguồn (source area) và vùng tải (sink area) với nhiều phụ tải tập trung Hai vùng này được kết nối qua các đường dây liên lạc, nơi thiết bị bù được lắp đặt để tìm kiếm giải pháp tối ưu theo mục tiêu đề ra Phương pháp này giúp giới hạn không gian tìm kiếm nhưng độ chính xác phụ thuộc vào cách phân vùng ban đầu của người vận hành, thường hiệu quả hơn khi có quy hoạch mua bán điện giữa hai vùng từ các nguồn khác nhau Theo tác giả Nguyễn Hoàng Sơn, nghiên cứu ứng dụng của UPFC trong điều khiển hệ thống điện cũng áp dụng phương pháp tương tự, sử dụng Powerworld để giải bài toán phân bố công suất và xác định vị trí cũng như dung lượng thích hợp cho thiết bị FACTS trong hệ thống điện.
“Phương pháp thử sai” (trial and error method) để tìm vị trí tối ưu của thiết bị FACTS trong mạng điện.
Các loại thiết bị Facts
SVC, hay máy bù tĩnh, bao gồm bộ tụ điện và bộ kháng điện được kết nối song song, với một trong hai bộ được điều khiển Công suất phản kháng Q có thể điều chỉnh từ dung tính sang cảm tính thông qua việc sử dụng các van Thyristor Khi SVC được mắc song song với đường dây hoặc phụ tải, nó giúp điều chỉnh và duy trì điện áp tại nút đó, đồng thời hạn chế dao động điện áp và nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện.
Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC là thiết bị điện tử công suất hiện đại, có khả năng cung cấp nhanh chóng và liên tục công suất phản kháng tính dung và tính cảm cho hệ thống điện.
Hình 2.2: Nguyên tắc điều khiển SVC trong ổn định hệ thống điện
Hình 2.3: Dao động công suất trong trường hợp không có SVC và có SVC
Phân loại SVC theo cấu hình bao gồm ba thành phần chính: cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (TCR), bộ tụ đóng ngắt bằng Thyristor (TSC) và dãy tụ cố định (FC) dùng để lọc sóng hài, được kết nối như minh họa trong Hình 2.4.
TCR bao gồm cuộn kháng và van Thyristor TCR điều khiển liên tục công suất phản kháng bằng cách thay đổi biên độ dòng điện chạy qua cuộn kháng
TSC bao gồm tụ điện, cuộn kháng và van Thyristor TSC đóng và ngắt tụ điện
Bộ lọc FC cung cấp công suất phản kháng cố định và hấp thụ dòng điện sóng hài được phát ra từ bộ TCR
Hình 2.4: Cấu hình cơ bản nhất của SVC là TCR + FC
Hình 2.5: Cấu hình nâng cao của SVC là TCR + TSC + FC
Bộ bù tĩnh (STATCOM) hoạt động tương tự như máy bù đồng bộ, cung cấp công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện và điện công nghiệp Chức năng chính của nó là giải quyết sự biến đổi điện áp trong các điều kiện dao động và ổn định, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
HUTECH thống STATCOM đầy đủ bao gồm một nguồn điện áp DC, bộ biến đổi tự chuyển sử dụng Thyristor, và một máy biến áp tăng áp
Hình 2.6: Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng STATCOM
Hình 2.7: Nguyên tắc điều khiển trào lưu công suất của STATCOM
2.3.3 UPFC (Unified Power Flow Controlled):
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của UPFC
UPFC (Unified Power Flow Controller) là thiết bị tích hợp điều khiển luồng công suất, cho phép điều chỉnh điện áp, tổng trở và góc pha Việc lắp đặt UPFC giúp tăng cường tính linh hoạt và hiệu quả trong quản lý hệ thống điện.
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây
- Giảm sự dao động của hệ thống điện
- Nâng cao và ổn định điện áp
- Điều khiển dòng công suất phản kháng và tác dụng theo hai hướng
Trong bài viết này, tác giả lựa chọn TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) là thiết bị FACTS chính nhằm mục đích chống nghẽn mạch và cải thiện khả năng truyền tải của hệ thống điện.
2.3.4 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)
Bộ bù nối tiếp điều khiển bằng Thyristor (TCSC) là một thành phần quan trọng trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS), giúp cải thiện hiệu suất và ổn định của lưới điện.
HUTECH đã cải tiến các tụ nối tiếp truyền thống bằng cách thêm vào bộ phản ứng điều khiển bằng thyristor, kết nối song song với tụ nối tiếp Điều này tạo ra hệ thống bù dọc điện kháng có khả năng thay đổi liên tục và nhanh chóng TCSC mang lại nhiều lợi ích nổi bật, bao gồm khả năng điều chỉnh linh hoạt và hiệu quả trong việc quản lý điện năng.
- 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 2.9)
Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo của TCSC
Các góc mở của thyristor được điều khiển nhằm điều chỉnh điện kháng TCSC cho phù hợp với hệ thống Khi các thyristor được kích thích, TCSC có thể được mô tả bằng một phương trình toán học, cụ thể là i C C dv.
dt (2.6) i S i C i L (2.7) i L và i C : là giá trị dòng điện tức thời qua tụ điện và cuộn cảm i S : là dòng điện tức thời của đường dây truyền tải được điều khiển
HUTECH v: là điện áp tức thời qua TCSC
Tổng trở tương đương của mạch LC:
TCSC có thể được điều chỉnh để hoạt động ở trạng thái điện kháng (C > 1/L) với tính dung thay đổi hoặc ở trạng thái cảm kháng (C < 1/L), đồng thời cần tránh trạng thái cộng hưởng (C = 1/L).
Dòng điện đi qua cuộn cảm được xác định theo công thức:
X C 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:
Tại t= ; iT = 0, điện áp tụ được xác định: v C ( t ) v C 2 v C 1
HUTECH Điện áp tụ sau khi tính toán là:
; t v C ( t ) v C 2 I m X C (sin t sin ) ; t Điện kháng TCSC tương đương X TCSC được tính theo tỉ số của V CF và I m :
TCSC (2.11) Điện kháng của TCSC trên đơn vị X C đượcbiểu thị bằng X net = X TCSC / X C là:
Với = 2(-) là góc dẫn của bộ điều khiển TCSC.
Đề xuất phương án sử dụng TCSC
2.4.1 Giải quyết để hết quá tải khi tăng tải
Mô hình đường dây hình với các thông số kết nối giữa hai nút i và j cho phép xác định giá trị điện áp tại hai nút này là Vii và Vjj Từ đó, công suất thực và công suất phản kháng trên nhánh i-j có thể được tính toán.
2 cos sin ij i ij i j ij ij ij ij
2 sin cos ij i ij i j ij ij ij ij
Pij và Qij đại diện cho công suất thực và công suất phản kháng được truyền từ nút i đến nút j Độ chênh lệch pha giữa hai nút được tính bằng ij = i - j, trong khi g ij và b ij lần lượt là điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đường dây giữa i và j.
Trong đó: r ij , x ij là điện trở và điện kháng trên nhánh đường dây i-j
Hình 2.10: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC
Hình 2.11: Đơn giản hoá mô hình TCSC trên nhánh i-j
Mô hình đường dây truyền tải với TCSC được lắp đặt giữa hai nút i và j, như được minh họa trong hình 2.10 Trong trạng thái ổn định, TCSC hoạt động như một điện kháng với giá trị -jxc, cho phép điều chỉnh dòng điện trong hệ thống truyền tải.
HUTECH hình 2.11 Khi đó điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đường dây i-j sẽ thay đổi theo biểu thức:
Do đó dòng công suất thực và công suất phản kháng trên nhánh i-j khi có TCSC sẽ là:
2 , , , cos sin ij ij ij ij c i i j ij ij
2 , , cos , sin ji ij ij ij c j i j ij ij
2 , , sin , cos ij ij ij ij c i i j ij ij
2 , , sin , cos ji ij ij ij c j i j ij ij
Dòng công suất trên nhánh i-j khi có TCSC sẽ là:
2 2 , 2 , cos ij ji ij ij c c
2 2 , 2 , cos ij ji ij ij c c
Khi lắp đặt TCSC trên nhánh i-j, dòng công suất truyền trên nhánh sẽ tăng lên Theo các biểu thức 2.17 và 2.18, khi giá trị x_c thay đổi, các tham số g_ij và b_ij cũng thay đổi, cho phép điều khiển giá trị PL và QL thông qua việc điều chỉnh x_c Do điện trở trên các đường dây truyền tải thường rất nhỏ so với điện kháng (r P ij 1 thì lưới điện mới bắt đầu xuất hiện quá tải các nhánh I hoặc II Điều này cho thấy công suất truyền P ij đã tăng từ P ij 1 lên
P ij 2 mà không cần phải điều động lại công suất phát giữa các nhà máy điện Vì vậy đã làm giảm chi phí sản xuất điện năng.
Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện
Chi phí phát điện của một hệ thống điện được mô tả bằng biều thức:
Với điều kiện ràng buộc: min vh max i i i
(3.4) i=1 n , l=1 m: Số máy phát và phụ tải trong hệ thống điện
P : Tổn thất trên lưới, ước lượng từ (0,02-0,06)∑P l tải
Hình 3.2: Giải thuật xác định công suất phát của nhà máy min moi
Nhập số liệu máy phát P max ,
Giải hệ phương trình (3,7) và (3,4) moi tai
Nhập số liệu máy phát
HUTECH Để cực tiểu (3.2) có thể dùng phương pháp nhân tử Lagrange Đặt : n i i 2 i i i n i i 1 i 1
, i = 1 n (3.6) Để hệ (3.6) có nghiệm thì
Để xác định giá trị công suất phát P i của nhà máy điện i, cần giải hệ (3.7) và điều kiện (3.4), đồng thời lưu ý đến điều kiện (3.3) Việc xác định công suất phát của các máy phát điện phải thực hiện theo lưu đồ trong hình 3.2.
Hàm chi phí tại (3.2) đạt giá trị tối thiểu tại C1, tuy nhiên, hệ thống điện có thể gặp phải tình trạng quá tải đường dây (3.8) hoặc vi phạm ràng buộc điện áp tại các nút (3.9).
Nhóm điều kiện (3.9) có thể được khắc phục dễ dàng thông qua các biện pháp bù công suất kháng hoặc điều chỉnh nấc điều áp của máy biến áp trung gian và phân phối Tuy nhiên, để đáp ứng nhóm điều kiện (3.8), cần phải điều động lại công suất phát của các nhà máy điện, dẫn đến việc giá trị tối thiểu của chi phí phát điện trong hàm chi phí (3.2) phải thay đổi, cụ thể là C2 > C1, nhằm đảm bảo rằng không có đường dây nào bị quá tải.
Việc lắp đặt TCSC vào hệ thống điện giúp phân bố lại luồng công suất tự nhiên, từ đó loại bỏ tình trạng quá tải trên lưới điện Điều này không chỉ giảm chi phí phát điện từ C2 xuống C1 mà còn tăng khả năng tải của hệ thống điện mà không cần xây dựng thêm đường dây tải điện mới.
Sử dụng thuật toán Min-cut để xác định những nhánh ứng viên đặt TCSC
Hàm mục tiêu đặt TCSC được trình bày tại biểu thức (3.10) gồm chi phí phát điện và chi phí lắp đặt TCSC
Việc cực tiểu hàm mục tiêu (3.10) trực tiếp sẽ rất khó khăn vì những lý do sau:
Vị trí của TCSC là yếu tố quyết định trong việc thu hút công suất và giảm tải cho những nhánh bị quá tải Việc xác định vị trí hợp lý không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải mà còn đảm bảo khả năng tăng trưởng cho các phụ tải Nếu không xác định chính xác, số lượng TCSC cần thiết sẽ gia tăng, dẫn đến hiệu quả kinh tế kém hơn trong việc lắp đặt.
- Dung lượng TCSC phụ thuộc vào vị trí đặt và giá trị tải của hệ thống điện cũng như công suất phát hiện hữu của các nhà máy điện
Bài viết này giới thiệu một phương pháp áp dụng mặt cắt tối thiểu để tối ưu hóa không gian tìm kiếm vị trí lắp đặt TCSC Phương pháp này kết hợp với phân tích độ nhạy nhằm xác định chính xác nhánh lắp đặt TCSC, từ đó giảm thiểu chi phí và dung lượng của thiết bị.
Trong hình học Topo, mặt cắt là một lát cắt chia các nhánh thành hai phần: nguồn và tải Giá trị thông qua của mặt cắt được xác định là tổng khả năng thông qua của các nhánh trong mặt cắt đó Mặt cắt tối thiểu là mặt cắt có giá trị thông qua nhỏ nhất, và nó có khả năng chỉ ra vị trí cổ chai trong bất kỳ hệ thống vận chuyển nào.
Trong hệ thống điện hiện tại hoặc mới được thiết kế, luôn có một số nhánh xung yếu có khả năng dẫn đến tình trạng quá tải khi có sự gia tăng tải trong các phụ tải Những nhánh này được gọi là tập hợp các nhánh có nguy cơ quá tải.
HUTECH là nút cổ chai của hệ thống điện và mặt cắt tối thiểu sẽ chỉ ra nút cổ chai này như hình 3.3
Hình 3.3: Tập hợp nhánh xung yếu tìm được từ chương trình max-flow
Khi xảy ra quá tải do tăng tải vào giờ cao điểm hoặc sự cố máy phát, các nhánh quá tải cần nằm trong mặt cắt tối thiểu Để điều chỉnh dòng công suất qua các nhánh này, cần xác định các nhánh thuộc tập hợp mặt cắt tối thiểu, vì các nhánh ngoài tập hợp chỉ truyền công suất từ các nhánh trong mặt cắt tối thiểu hoặc từ máy phát Do đó, việc lắp đặt TCSC hiệu quả nhất là trên các nhánh nằm trong mặt cắt tối thiểu.
Có nhiều phương pháp để xác định mặt cắt tối thiểu, luận văn này trình bày phương pháp giảm không gian tìm kiếm của thuật toán Ford – Fulkerson
Để bắt đầu, cần thành lập ma trận A với kích thước A = A nxn cho mạng n nút, thể hiện tổng thông lượng có thể truyền tải giữa các nút Trong ma trận này, các thành phần đường chéo chính được xác định là a ii = 0, trong khi các thành phần khác a ij biểu thị thông lượng liên kết giữa hai nút i-j với giá trị đối xứng qua đường chéo chính (a ij = a ji) Đối với những nút không có kết nối, giá trị a ij sẽ bằng 0.
ss s s sm st s m t s m t ms m m mm mt ts t t tm tt a a a a ta s a a a a a a a a a a a a a a a m a a a a a t
Tính tổng giá trị hàng thứ nhất - tương đương với tổng các thông lượng của các nút được nối với tổ hợp nút nguồn phát S
Tính tổng giá trị hàng cuối cùng tương đương với tổng thông lượng của các nút được nối với tổ hợp đỉnh thu T
it a st a 1 t a 2 t a mt a tt a it
Thêm tổ hợp các nhánh C si và tổng thông lượng ∑ si vào danh sách listcut, cùng với tổ hợp các nhánh C it và tổng thông lượng ∑ it vào danh sách listcut.
C si là thông lượng của các cung từ tổ hợp nguồn phát S đến nút i
C it là thông lượng của các cung từ nút thứ i tới tổ hợp đỉnh thu T
Bước 3: Chọn nút giảm trong sơ đồ
C max = max[a si ] = max[a s1 , a s2 ,…, a sm ]
Di chuyển nút i vào tổ hợp nguồn phát S = {s,i} bằng cách:
Bỏ và cộng giá trị hàng i vào hàng s
Bỏ và cộng giá trị cột i vào cột s
Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật xác định luồng công suất cực đại
C max = max[a it ] = max[ a 1t , a 2t , …, a mt ]
Di chuyển nút i vào tổ hợp đỉnh thu T = {t,i} bằng cách:
Thêm tổ hợp Csi, C it và , vào listcut
Di chuyển nút i vào tổ hợp S={s,i}
Di chuyển nút i vào tổ hợp T={t,i}
Max=max[a si , a it ] maxa it
In ra danh sách listcut
Bỏ và cộng giá trị hàng i vào hàng t
Bỏ và cộng giá trị cột i vào cột t
Kiểm tra ma trận A = [A]nxn
Nếu max = ait thì di chuyển nút i vào tổ hợp đỉnh thu T, ngược lại thì di chuyển nút i vào tổ hợp nguồn phát S và quay lại bước 2
Nếu n = 2 thì xuất ra kết quả trong danh sách listcut và dừng lặp
Từ lưu đồ giải thuật xác định luồng công suất cực đại đã đề xuất.
Xác định nhánh đặt TCSC để giảm giá thành TCSC
TCSC hoạt động ở hai chế độ bù điện là bù điện kháng và bù dung kháng, nhưng trong nghiên cứu này chỉ tập trung vào chế độ bù dung Chi phí lắp đặt thiết bị bù TCSC tỷ lệ thuận với dung lượng bù mà thiết bị cung cấp, theo thông tin trong bảng 2.1.
Cài đặt giá trị dung kháng bù XTCSC cao trên đường dây sẽ dẫn đến chi phí lớn, vi phạm tiêu chí kinh tế và giảm hiệu quả giải pháp Giá trị bù của TCSC được xác định theo biểu thức: ij line TCSC.
TCSC có hai đặc tính quan trọng là bù dung và bù kháng, giúp điều chỉnh tổng trở của đường dây Bù dung giúp giảm tổng trở, tăng khả năng mang tải, trong khi bù kháng lại làm tăng tổng trở, giảm khả năng mang tải Để tránh hiện tượng quá bù, giá trị điện kháng của TCSC cần được duy trì trong khoảng giới hạn nhất định.
-0,7 XL XTCSC 0,2 XL pu (3.12) Trong một số trường hợp giá trị X TCSC có thể cho phép bù ở khoảng
Thiết bị TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) có khả năng điều chỉnh bù rất hiệu quả trên lưới điện truyền tải, giúp tăng cường khả năng truyền tải cho hầu hết các hệ thống điện Việc xác định các nhánh quá tải trong mạng là rất quan trọng để tiến hành bù hợp lý, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền tải Do chi phí cao của TCSC, nghiên cứu này chỉ đề xuất lắp đặt một thiết bị duy nhất Để giảm chi phí, cần xác định các nhánh có các đặc điểm như nằm trong mặt cắt tối thiểu, nằm trong vòng quá tải, có khả năng nâng cao công suất truyền tải lớn nhất và có khả năng tải thêm công suất.
Phát biểu luật đặt TCSC
Để đáp ứng điều kiện (ii) và (iii) cần xét suất tăng công suất theo XTCSC bằng cách đạo hàm biểu thức (3.14) i j sin ij ij TCSC
Với Pij : Công suất truyền trên nhánh ij
V i , V j : Điện áp tại các nút ij
ij : Góc lệch pha điện áp của nút i và j
X ij : Trở kháng nhánh ij
X TCSC : Trở kháng của TCSC (tính dung) Đạo hàm biểu thức (3.14)
Nhánh nhạy nhất với XTCSC = const là nhánh có (Xij - XTCSC)² nhỏ nhất, tức là Xij nhỏ nhất Điều này cho thấy rằng để đạt được điều kiện (ii), khi vòng chứa nhánh bị quá tải, cần có tổng trở kháng vòng nhỏ nhất trong các vòng cạnh tranh Điều kiện (iv) được mô tả bằng phương trình toán học.
Luật xác định vị trí TCSC được mô tả như sau:
- Nhánh có trở kháng Xij bé trong tập các nhánh đi qua mặt cắt tối thiểu
Nhánh nằm trong vòng quá tải có trở kháng thấp, trong khi các nhánh khác nằm trong mặt cắt tối thiểu.
- Nhánh có độ dự trữ công suất lớn.
Lưu đồ xác định vị trí và dung lượng TCSC
Bài toán nâng cao khả năng truyền tải với chi phí tối thiểu được xây dựng dựa trên phương pháp mặt cắt tối thiểu từ các nghiên cứu trước đây Thuật toán xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của TCSC, kết hợp với việc vận hành tối ưu máy phát điện, giúp giảm thiểu chi phí trong mạng điện phân phối Các bước thực hiện được thiết lập rõ ràng để đạt được hiệu quả tối ưu.
1) Nhập dữ liệu cho chương trình max-flow Chương trình này đòi hỏi thông số nhập vào khá đơn giản, công suất của các tổ máy phát và phụ tải tại các nút, giới hạn truyền tải của các nhánh trong sơ đồ Sơ đồ mạng sẽ tự động hình thành sau khi nhập xong dữ liệu và cập nhật dữ liệu cho việc tính toán tiếp theo
2) Tính toán xác định tập hợp nhánh nghẽn mạch bằng chương trình max-flow Việc tính toán xác định tập hợp các nhánh xung yếu nhất có khả năng gây
Hệ thống HUTECH được tối ưu hóa để xử lý nghẽn mạch một cách nhanh chóng và chính xác thông qua chương trình Chương trình này cho phép tính toán giá trị max-flow, phản ánh tổng khả năng truyền tải của các nhánh trong giá trị min-cut.
3) Nhập dữ liệu cho chương trình tính toán phân bố dòng công suất bằng chương trình powerworld Chương trình này đòi hỏi thông số nhập vào khá đầy đủ chi tiết Việc nhập thông số cho quá trình tính toán mô phỏng chỉ được thực hiện khi hình thành được sơ đồ liên kết mạng Điều này được thực hiện bằng cách chọn các phần tử thiết bị có sẵn trong thư viện và sau đó nhập thông số yêu cầu cho từng phần tử
4) Tính toán chạy mô phỏng phân bố công suất bằng powerworld Việc tính toán chạy mô phỏng lưới điện bằng phần mềm này cho cái nhìn trực quan về các luồng công suất chạy trong mạng, vị trí và phần trăm quá tải trên các nhánh nếu có
5) Kết hợp kết quả từ việc tìm kiếm và mô phỏng bằng hai chương trình để đặt TCSC (bù dung) vào vị trí của nhánh nào có góc lệch pha thay đổi nhiều trong tập hợp các nhánh mà có khả năng gây quá tải hệ thống tìm được từ chương trình Max-flow Việc kết hợp này giúp giảm thời gian và không gian cho việc thử nghiệm trên tất cả các nhánh nghi ngờ
6) Thay đổi dung lượng bù của TCSC để tìm ra giá trị thích hợp nhất cho việc chống quá tải trên tập hợp nhánh tìm được từ chương trình Max-flow Đảm bảo luật đặt TCSC tại mục 3.5 Tìm ra giá trị X TCSC tối ưu tại vị trí bù khi nhánh quá tải trong hệ thống đã được giải trừ
7) Tăng tất cả phụ tải tại các nút của hệ thống lên làm việc từ 100% đến 120% công suất truyền tải để xác định giá trị bù của TCSC và phân bố công suất phát nhà máy điện trong việc điều khiển chống nghẽn mạch đồng thời nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện khi thay đổi tất cả các tải Mỗi lần tăng phụ tải lên làm việc 100% đến 120% công suất tại các nút của hệ thống thì phải tính toán phân bố lại dòng công suất để tìm giá trị bù và giá trị phát của các nhà máy điện vào hệ thống cho phù hợp
8) Tổng hợp kết quả và đưa ra vị trí cũng như dung lượng tối ưu của TCSC và giá trị công suất phát của các nhà máy trong mạng lưới đối với tất cả các trường hợp thử nghiệm sau đó tính toán chi phí phát điện
9) Kết luận về vị trí, giá trị cài đặt của TCSC, phân bố công suất phát của nhà máy điện và các chi phí phát điện trong hệ thống, đảm bảo phát huy tối đa khả năng điều khiển cũng như việc chống quá tải khi có sự thay đổi phụ tải
Giải thuật đề xuất đã được kiểm tra hiệu quả và ứng dụng trong việc xác định vị trí, dung lượng tối ưu của TCSC và công suất phát của nhà máy trên lưới điện thông qua các ví dụ hệ thống lưới điện 7 nút và 14 nút, cũng như ứng dụng cho lưới điện đồng bằng sông Cửu Long Kết quả mô phỏng và nhận xét chi tiết được trình bày trong chương 4.
Hình 3.5: Lưu đồ xác định vị trí, dung lượng TCSC và công suất nhà máy điện
Nhập dữ liệu vào maxflow, powerworld
Tìm tập hợp nhánh nghẽn mạch = maxflow
Chạy phân bố công suất
= powerworld Đặt TCSC vào nhánh có thay đổi góc lệch lớn trong tập hợp nhánh gây quá tải hệ thống i = n
Xác định dung lượng bù
Tăng đều tất cả các tải tại các nút Tăng tải toàn hệ thống
Xuất giá trị, vị trí tối ưu của
TCSC và công suất phát của nhà máy điện có tính toán chi phí
Y Đặt công suất phát của các nhà máy điện