Nâng cao khả năng truyền tải (ATC) của hệ thống điện sử dụng thiết bị TCSC

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Quá trình cải tổ ngành điện đang diễn ra mạnh mẽ tại nhiều quốc gia phát triển, với xu hướng chuyển đổi sang mô hình thị trường cạnh tranh thay thế cho các phương pháp truyền thống Mục tiêu chính của thị trường điện là giảm giá điện thông qua cạnh tranh, nâng cao hiệu quả hoạt động và đầu tư của các công ty Điện lực Quốc gia, chủ yếu là sở hữu Nhà nước Để tăng cường tính cạnh tranh, các khâu sản xuất, bán buôn và bán lẻ điện năng được cải cách thông qua việc thiết lập thị trường điện và tư nhân hóa một phần của các công ty này Kết quả cho thấy đây là bước tiến quan trọng trong quản lý ngành năng lượng, tạo ra môi trường kinh doanh cạnh tranh bình đẳng và là giải pháp hiệu quả để huy động vốn cho đầu tư xây dựng nguồn phát và hệ thống truyền tải điện.

Với sự hội nhập kinh tế của Việt Nam vào khu vực và thế giới, việc hình thành thị trường điện trở nên cần thiết Điều này đòi hỏi ngành điện, đặc biệt là Công ty Truyền tải điện, phải thay đổi cơ cấu tổ chức và phương thức hoạt động để phù hợp với các quy định mới và cơ chế thị trường Lộ trình áp dụng thị trường điện đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, hiện đang thực hiện các bước thí điểm nhằm xây dựng một thị trường điện cạnh tranh hoàn hảo Sự xuất hiện của thị trường điện không chỉ mang lại phúc lợi xã hội mà còn cho phép khách hàng lựa chọn nhà cung cấp và mua điện từ các nhà máy có giá bán thấp Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích, thị trường điện cũng đặt ra nhiều thách thức cần được giải quyết.

2 thách thức cho người vận hành hệ thống để đảm bảo an ninh vận hành trong thị trường điện

Trong thị trường điện, hệ thống truyền tải đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng và các giao dịch không có kế hoạch Việc kiểm soát sự thay đổi công suất là cần thiết để tránh tình trạng quá tải, có thể dẫn đến mất ổn định hệ thống và thiệt hại kinh tế nghiêm trọng Để đảm bảo an ninh vận hành, đơn vị vận hành hệ thống điện độc lập (ISO) cần nắm rõ khả năng truyền tải còn lại (ATC) của hệ thống, giúp đáp ứng các giao dịch phát sinh Thông tin ATC không chỉ hỗ trợ ISO tìm hướng truyền công suất hiệu quả mà còn giúp các nhà tham gia thị trường xây dựng chiến lược chào giá khi có tắc nghẽn Do đó, nâng cao ATC là một thách thức lớn đối với các nhà vận hành hệ thống ISO.

Với sự phát triển của ngành công nghệ điện tử, thiết bị FACTS, đặc biệt là TCSC, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển phân bố công suất TCSC được ưa chuộng vì khả năng kết nối trực tiếp với đường dây trong hệ thống truyền tải Việc lắp đặt TCSC có thể là giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề về điện kháng trong lưới điện TCSC hoạt động như một điện kháng điều khiển, giúp giảm điện kháng của đường dây, tăng cường công suất truyền tải và giảm tổn thất công suất phản kháng Do đó, việc lắp đặt các bộ điều khiển TCSC cần được xem xét để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.

Việc lắp đặt thiết bị TCSC đúng cách là rất quan trọng, vì nếu không, các bộ điều khiển TCSC có thể làm giảm hiệu suất tối ưu và mất đi tính hữu ích Trong bối cảnh quản lý và vận hành hệ thống điện, việc sử dụng TCSC trên đường dây truyền tải là cần thiết để nâng cao khả năng truyền tải công suất Xác định vị trí tối ưu cho thiết bị TCSC không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo sự ổn định trong thị trường điện, đóng vai trò quan trọng trong vận hành hệ thống điện hiện nay.

Nghiên cứu nâng cao khả năng truyền tải ATC của hệ thống điện bằng thiết bị TCSC là một yêu cầu cấp thiết, phù hợp với sự phát triển của thị trường điện tại Việt Nam.

Sơ lược các công trình nghiên cứu trước đây

Nghiên cứu về ứng dụng FACTS trong việc nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện chủ yếu tập trung vào các thiết bị như TCSC, SVR, UPFC và TCPST Dù có những phương pháp và cách tiếp cận khác nhau, các nghiên cứu đều hướng tới việc sử dụng giải thuật Gen để tìm kiếm giải pháp tối ưu Cụ thể, thông số của thiết bị FACTS và mạng điện sẽ được mã hóa, sử dụng các toán tử đột biến và lai chéo để giải quyết bài toán phân bố công suất Quá trình này cho phép tự động lưu trữ và cập nhật thông số ban đầu, nhằm gia tăng tính đa dạng trong tìm kiếm giải pháp Tóm lại, các công trình nghiên cứu này đều thể hiện sự đồng nhất trong phương pháp tiếp cận và mục tiêu nghiên cứu.

Công trình nghiên cứu của T Nireekshana, G Kesava Rao và S Siva Naga Raju tập trung vào việc "Nâng cao khả năng truyền tải ATC với các thiết bị FACT sử dụng giải thuật di truyền mã hóa giá trị (RGA)" Mục tiêu của nghiên cứu là xác định và cải thiện ATC, một thông số quan trọng trong hệ thống điện không ổn định Nghiên cứu áp dụng các thiết bị FACT như SVC và TCSC để tối ưu hóa giao dịch truyền tải công suất trong cả tình huống bình thường và khi xảy ra sự cố Giải thuật RGA được sử dụng để hỗ trợ quá trình này.

Nghiên cứu cho thấy rằng SVC và TCSC là những công cụ hiệu quả trong việc tối ưu hóa vị trí và thông số điều khiển Qua mô phỏng trên mạng điện IEEE 24 Bus và 14 Bus, thiết bị SVC đã cải thiện biên dạng điện áp và giá trị ATC, trong khi TCSC không chỉ cải thiện giá trị ATC mà còn nâng cao biên dạng điện áp một cách vượt trội hơn Kết quả mô phỏng cũng chỉ ra rằng TCSC có ảnh hưởng lớn hơn trong việc cải thiện ATC cả trong điều kiện bình thường lẫn khi xảy ra sự cố.

Nghiên cứu của M.A Khaburi và M.R Haghifam tập trung vào việc "sử dụng thiết bị FACTS dựa trên mô hình xác suất để nâng cao tổng khả năng truyền tải" Khả năng truyền tải còn lại (ATC) là một chỉ số quan trọng trong tái cấu trúc hệ thống điện Nghiên cứu đã mô phỏng trên mạng điện IEEE 24 Bus, bao gồm 38 đường dây truyền tải và 10 máy phát được chia thành 2 vùng thông qua 4 đường dây Kết quả cho thấy tổng khả năng truyền tải (TTC) được cải thiện khi áp dụng thiết bị FACT như TCSC.

Nghiên cứu của R Mohamad Idris, A Khairuddin, và M.W Mustafa tập trung vào "Vị trí tối ưu của thiết bị FACT để nâng cao khả năng truyền tải ATC sử dụng giải thuật bầy ong" Nghiên cứu này phân tích ba vấn đề chính: vị trí, thông số và loại thiết bị FACTS, trong đó hai loại được đề cập là TCSC và SVC Hệ thống điện IEEE 30 Bus được sử dụng để mô phỏng, cho thấy ảnh hưởng đáng kể của giải thuật này đối với khả năng truyền tải ATC Ngoài giải thuật bầy ong, nghiên cứu cũng áp dụng giải thuật di truyền để so sánh Kết quả cho thấy cả hai giải thuật đều có tác động lớn đến việc nâng cao khả năng truyền tải ATC, với giải thuật bầy ong cho kết quả hội tụ nhanh hơn.

C.K Babulal và P.S Kannan đã phát triển một phương pháp mới để tính toán khả năng truyền tải (ATC) trong hệ thống điện không theo quy luật, sử dụng logic mờ Nghiên cứu này so sánh phương pháp mới với các phương pháp hiện có và thực hiện nhiều giao dịch để đánh giá các giới hạn như giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định.

Phương pháp này đã được kiểm tra trên hệ thống điện 39 Bus của Anh và 181 Bus của Ấn Độ, cho thấy khả năng tính toán ATC với số lần lặp ít và thời gian hội tụ nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống khác.

Công trình nghiên cứu của Ibraheem và Naresh Kumar Yadav [3] tập trung vào việc ứng dụng thiết bị FACTS nhằm nâng cao khả năng truyền tải ATC thông qua hệ số PTDF Phương pháp xác định ATC được đề xuất dựa trên giới hạn nhiệt của hệ thống theo MVA Hệ số phân bố công suất truyền tải (PTDF) được sử dụng để xác định ATC tối đa, giúp ngăn ngừa tình trạng nghẽn mạch trên các đường dây Phương pháp này yêu cầu xác định dòng công suất thực trên các nhánh và từ đó tính toán ATC thông qua hệ số PTDF Kết quả mô phỏng trên hệ thống điện IEEE 30 Bus cho thấy thiết bị TCSC có ảnh hưởng lớn trong việc nâng cao khả năng truyền tải còn lại ATC.

Nghiên cứu của Bairavan Veerayan Manikandan, Sathiasamuel Charles Raja, và Paramasivam Venkatesh tập trung vào việc nâng cao khả năng truyền tải bằng cách sử dụng thiết bị FACTs trong thị trường điện cạnh tranh Nghiên cứu áp dụng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO và thuật toán di truyền GA để xác định vị trí lắp đặt tối ưu thiết bị TCSC, mô phỏng trên hệ thống điện IEEE 30 Bus và IEEE 118 Bus Kết quả cho thấy sự khác biệt về giá trị ATC giữa việc sử dụng và không sử dụng thiết bị TCSC, với thuật toán PSO mang lại giá trị ATC tốt hơn so với GA trong giao dịch song phương.

Giải thuật di truyền (GA) mang lại hiệu quả vượt trội hơn so với giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) trong các giao dịch đa phương, đặc biệt khi lắp đặt thiết bị TCSC và thực hiện trong cùng một khoảng thời gian.

Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu và nhiệm vụ

 Phân tích các phương pháp tính khả năng truyền tải ATC

 Tính khả năng truyền tải ATC bằng phương pháp sử dụng hệ số PTDF

 Tổng quan thiết bị FACTS

 Nâng cao khả năng truyền tải ATC sử dụng thiết bị TCSC

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về khả năng truyền tải ATC

 Giải tích và mô phỏng toán học

 Sử dụng phần mềm Powerworld, phần mềm Matlab để mô phỏng

 Chỉ xét ổn định tĩnh không xét đến ổn định động của hệ thống điện

 Chỉ sử dụng thiết bị TCSC

 Mô phỏng trên hệ thống IEEE 6 Bus, IEEE 7 Bus và IEEE 30 Bus

 Chỉ sử dụng phần mềm Powerworld, phần mềm Matlab

1.3.4 Điểm mới của đề tài

 Xây dựng thuật toán xác định vị trí của TCSC để nâng cao khả năng truyền tải ATC cho hệ thống điện

 Ứng dụng cho các mô hình hay lưới điện bất kỳ

 Ứng dụng cho các lưới điện IEEE mẫu

 Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện với thiết bị FACTS

 Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học hệ thống điện.

Mục tiêu của đề tài

 Chương 2: Hệ số phân bố công suất PTDF và khả năng truyền tải ATC

 Chương 3: Nâng cao ATC sử dụng thiết bị FACTS

 Chương 4: Kết quả mô phỏng

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

HỆ SỐ PHÂN BỐ CÔNG SUẤT PTDF VÀ KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ATC

Giới thiệu

Trong thị trường điện, việc truyền tải công suất qua khoảng cách xa là cần thiết để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, với điện năng được coi là mặt hàng kinh doanh Các công ty điện lực thường xuyên bảo trì máy phát điện và đường dây truyền tải, đồng thời có thể mua điện từ nhiều nguồn khác nhau để phục vụ nhu cầu của mình Việc mua điện giữa các khu vực thường dựa trên giá cả, với các công ty phải cập nhật giá trị ATC trên hệ thống OASIS sau mỗi giao dịch để đảm bảo sự ổn định của thị trường điện Giá trị ATC cho biết công suất có thể truyền tải thêm mà không làm mất ổn định hệ thống, giúp bù đắp thiếu hụt công suất giữa các vùng Tính toán ATC là công cụ quan trọng trong giao dịch công suất, giúp đơn vị vận hành tìm ra hướng truyền công suất hiệu quả và hỗ trợ người tham gia thị trường xây dựng chiến lược giá trong trường hợp xảy ra tắc nghẽn, từ đó nâng cao hiệu quả và tính kinh tế của hệ thống.

Hệ thống điện có khả năng đáp ứng công suất truyền tải lớn cho nhiều khu vực thường có tính linh hoạt và an toàn cao hơn so với các hệ thống bị giới hạn công suất Khả năng truyền tải giữa các khu vực không chỉ giúp cải thiện hiệu suất hiện tại mà còn tạo điều kiện cho việc nâng cao khả năng truyền tải trong tương lai.

Khả năng truyền tải còn lại của hệ thống truyền tải được Landgren et al đề cập lần đầu vào những năm 1970, nhưng không thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu cho đến khi Ủy ban điều tiết năng lượng liên bang (FERC) yêu cầu thực hiện theo điều khoản 888.

Năm 1996, các điều khoản 889 của FERC quy định rằng hệ thống truyền tải phải có quyền truy cập mở cho các bên tham gia buôn bán, đồng thời yêu cầu thông tin về ATC (Available Transfer Capability) phải được tính toán và công bố trên OASIS Cùng năm, NERC đã thiết lập một khuôn khổ để định nghĩa và đánh giá ATC, được coi là khả năng truyền tải cho phép trong mạng lưới ATC là một thông số kỹ thuật quan trọng giúp các trung tâm vận hành hệ thống lập kế hoạch cho các hoạt động giao dịch công suất trong thị trường điện.

Định nghĩa khả năng truyền tải và các thông số liên quan

2.2.1 Khả năng truyền tải ATC

Theo NERC, khả năng truyền tải ATC (Available Transfer Capability) là công suất còn lại của lưới điện trên một hoặc nhiều đường dây từ điểm phát đến điểm nhận, đảm bảo rằng các thông số điện luôn nằm trong giới hạn vật lý ATC đại diện cho công suất truyền tải bổ sung có thể được sử dụng ngoài công suất đã cam kết trong hợp đồng, phục vụ cho các hoạt động giao dịch điện năng trong tương lai.

Trong lĩnh vực toán học, ATC (Khả năng truyền tải khả dụng) được xác định bằng tổng khả năng truyền tải TTC, trừ đi độ tin cậy truyền tải dự trữ TRM, tổng công suất truyền tải hiện có (bao gồm dịch vụ khách hàng bán lẻ) ETC, và độ dự trữ lợi ích CBM Công thức biểu diễn ATC có thể được mô tả như sau [18]:

ATC = TTC – TRM – CBM – ETC (2.1)

ATC (Available Transfer Capability) giữa hai khu vực là lượng công suất có thể truyền tải thêm trong một khoảng thời gian và điều kiện nhất định Đây là một đại lượng động, phụ thuộc vào các biến số và tham số liên quan, do đó cần được tính toán và cập nhật định kỳ Tính chính xác của ATC chịu ảnh hưởng lớn từ độ chính xác và tính đầy đủ của dữ liệu hiện có, vì hệ thống điện thường xuyên bị tác động bởi nhiều yếu tố khác nhau Việc tính toán ATC cần tuân thủ các nguyên lý đã được xác định trước đó.

 Cung cấp chỉ số khả năng truyền tải phải hợp lý và tin cậy

 Xác định trong kiện thời gian biến thiên, truyền tải công suất đồng bộ, và song song

 Xem xét phụ thuộc vào điểm bơm vào hoặc rút công suất ra

 Xem xét sự phối hợp các vùng

 Phối hợp hợp lý các trạng thái không chắc chắn và khả năng đáp ứng cung cấp

Luôn xác định khả năng truyền tải và các giới hạn liên quan khác được kết hợp với nhau:

 Giới hạn nhiệt quá tải

 Giới hạn ổn định điện áp

 Giới hạn phát công suất

 Giới hạn phát công suất phản kháng

 Giới hạn công suất tải

2.2.2 Tổng khả năng truyền tải TTC

Tổng khả năng truyền tải là công suất tối đa mà lưới truyền tải điện có thể chuyển giao qua các đường dây mà không vượt quá các giới hạn vật lý, cho phép truyền tải điện từ khu vực này sang khu vực khác một cách hiệu quả.

10 tính kỹ thuật trong chế độ làm việc bình thường và sự cố của hệ thống để đảm bảo tính ổn định và an toàn của hệ thống Hình 2.1

Giới hạn nhiệt là mức dòng điện tối đa mà đường dây truyền tải hoặc thiết bị điện có thể chịu đựng trong một khoảng thời gian nhất định mà không bị hư hỏng vĩnh viễn do quá nhiệt hoặc không vi phạm các yêu cầu an toàn chung.

Giới hạn điện áp là yếu tố quan trọng cần duy trì trong phạm vi tối thiểu và tối đa cho phép, nhằm đảm bảo công suất truyền tải không gây hư hỏng cho hệ thống điện và thiết bị của khách hàng Sự sụp đổ điện áp lan rộng có thể dẫn đến mất điện một phần hoặc toàn bộ lưới điện liên kết, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của hệ thống điện.

Lưới truyền tải điện năng cần phải đảm bảo khả năng vượt qua sự mất ổn định tạm thời từ vài mili giây đến vài phút Tất cả các máy phát điện phải hoạt động đồng bộ và cùng tần số để truyền tải điện AC một cách hiệu quả Khi hệ thống điện gặp sự cố, dao động không ổn định có thể làm thay đổi tần số, công suất tải và điện áp Để duy trì sự ổn định, những dao động này cần được kiểm soát và tắt dần cho đến khi hệ thống đạt được một điểm hoạt động ổn định mới Nếu quá trình thiết lập điểm ổn định mới diễn ra chậm, các máy phát có thể mất đồng bộ, dẫn đến tình trạng không ổn định của một phần hoặc toàn bộ hệ thống điện.

Các giới hạn vật lý có thể thay đổi theo thời gian, dẫn đến sự phức tạp trong việc xác định khả năng truyền tải trong tương lai Công thức tính khả năng truyền tải tối đa được xác định bởi TTC = Minimum {Giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp, giới hạn ổn định}.

Hình 2.1: Giới hạn tổng khả năng truyền tải

2.2.3 Độ tin cậy truyền tải dự trữ TRM

TRM (Total Reserve Margin) là công suất dự trữ cần thiết để bảo đảm an toàn cho lưới điện trước các tình huống bất thường trong hệ thống điện Việc tính toán TRM liên quan đến các yếu tố không chắc chắn của hệ thống, giúp cải thiện tính toán ATC (Available Transfer Capability) và là yếu tố quan trọng để duy trì độ tin cậy hoạt động của hệ thống khi có sự thay đổi.

2.2.4 Độ dự trữ lợi ích CBM

CBM, hay công suất dự trữ cần thiết, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải điện từ các hệ thống điện liên kết Nó đảm bảo quyền truy cập vào nguồn phát điện từ các hệ thống này, nhằm đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy trong cung cấp điện.

2.2.5 Công suất truyền tải có cam kết ETC

ETC là công suất chắc chắn sẽ được truyền tải trên đường dây tại thời điểm tính khả năng tải do hợp đồng đã được ký kết thỏa thuận.

Tầm quan trọng của giá trị ATC

Xu hướng hệ thống điện toàn cầu đang gia tăng về kích thước và độ phức tạp, điều này xuất phát từ sự gia tăng dân số và quá trình hiện đại hóa Do đó, các quốc gia đã có những chính sách cho phép

Tổng khả năng truyền tải

12 công ty tư nhân đã tham gia vào thị trường điện và phân phối năng lượng, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành này Sự xuất hiện của thị trường điện đã tạo điều kiện cho các công ty điện áp dụng công nghệ truyền tải tiên tiến hơn.

Khả năng truyền tải ATC (Available Transfer Capability) là chỉ số quan trọng cho biết lượng công suất có thể truyền tải giữa các vùng mà không gây mất ổn định hệ thống Trong thị trường điện liên khu vực, sự thiếu hụt công suất ở một vùng có thể được bù đắp bằng nguồn từ các khu vực khác Việc tính toán ATC giúp xác định khả năng tăng cường giao dịch công suất giữa các vùng, đồng thời đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện.

Thông tin ATC hỗ trợ nhà vận hành hệ thống độc lập (ISO) xác định hướng truyền công suất hiệu quả trong thị trường điện và giúp người tham gia xây dựng chiến lược chào giá khi xảy ra tắc nghẽn Việc cập nhật nhanh chóng ATC là cần thiết để thiết lập dự phòng mới, lập kế hoạch và thực hiện giao dịch Có nhiều phương pháp số khác nhau để nghiên cứu và đánh giá ATC của hệ thống truyền tải.

Các phương pháp tính khả năng truyền tải ATC

Hiện nay có nhiều phương pháp để nghiên cứu đánh giá ATC của hệ thống truyền tải như:

 Phương pháp dòng điện một chiều (DCPF)

 Phương pháp hệ số phấn bố công suấttruyền tải (PTDF)

 Phương pháp hệ số phân bố sự cố đường dây (LODF)

 Phương pháp hệ số thay đổi công suất phát (GSF)

 Phương pháp tính công suất lặp lại (RPF)

 Phương pháp tính dòng công suất liên tục (CPF)

 Phương pháp tính dòng công suất tối ưu (OPF)

Với 4 phương pháp đầu ta có thể gộp thành phương pháp tuyến tính hóa (LATC)

Khi đánh giá khả năng tải nhiệt, mô hình một chiều (DC) được sử dụng Trong khi đó, các trường hợp giới hạn điện áp được xác định thông qua mô hình xoay chiều (AC).

Mô hình AC tuy tính toán chậm hơn mô hình DC nhưng lại có khả năng xác định nhiều yếu tố hơn, bao gồm công suất phản kháng và các thiết bị liên quan đến công suất phản kháng Bảng 2.1 dưới đây sẽ so sánh các phương pháp này.

Phương pháp Tính giới hạn nhiệt

Giới hạn ổn định điện áp

Bảng 2.1: So sánh các phương pháp tính khả năng truyền tải

Trong nghiên cứu này, khả năng truyền tải tối đa (ATC) được xác định thông qua phương pháp hệ số phân bố truyền tải công suất PTDF, áp dụng cho cả tình huống bình thường và tình huống sự cố Đối với các sự cố liên quan đến đường dây và máy phát điện, ATC có thể được tính toán bằng cách sử dụng các hệ số LOPTDF và GODF tương ứng.

Hệ số phân bố công suất truyền tải PTDF

2.5.1 Đặc điểm của truyền tải điện năng

Mối quan hệ giữa việc truyền tải công suất và thị trường điện chủ yếu thể hiện qua việc công suất được chuyển giao không theo đường xác định, mà thông qua nhiều nhánh trong hệ thống Sự thay đổi công suất phát từ máy phát hoặc phụ tải trong vùng nguồn hoặc vùng tải có thể dẫn đến biến động dòng công suất trong toàn hệ thống Do hệ thống truyền tải bao gồm nhiều dịch vụ khác nhau, việc chuyển giao công suất từ nguồn tới tải có thể ảnh hưởng đến nhiều bên không tham gia trực tiếp Hiện tượng này được gọi là "dòng vòng" (loop flows), và nó có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra thị trường điện Thực tế, thị trường công suất có thể phát triển ở khu vực khác thay vì gần điểm giao dịch điện, gây khó khăn cho các khu vực không tham gia vào thị trường.

Việc điều chỉnh dòng công suất trong hệ thống không thể thực hiện theo một hướng cố định, do sự phân bố công suất phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống truyền tải Các đặc tính này bao gồm giới hạn nhiệt của đường dây tải điện cùng với các yếu tố điện như cảm kháng và điện dung Nếu các giá trị này được xác định chính xác, chúng sẽ giúp dự đoán ảnh hưởng của các giao dịch trên mạng truyền tải.

2.5.2 Đánh giá dòng công suất tăng lên của một giao dịch xác định từ PTDF

Sự thay đổi gia tăng dòng công suất truyền tải trong một giao dịch đặc biệt được xác định bởi NERC qua hệ số phân bố công suất truyền tải PTDF, cho thấy cách dòng công suất biến đổi giữa hai nút Khi thực hiện truyền tải giữa hai khu vực, phụ tải trong mỗi khu vực cần được giữ hằng số; một khu vực tăng công suất phát trong khi khu vực khác giảm Các nút tăng công suất được gọi là "source", trong khi các nút giảm công suất được gọi là "sink".

Các cặp nguồn (source) và điểm tiêu thụ (sink) thường được gọi là một "phương hướng" Việc truyền tải công suất không nhất thiết phải diễn ra trực tiếp từ nguồn đến điểm tiêu thụ, mà có thể truyền qua các dòng vòng, ảnh hưởng đến các khu vực khác Do đó, giá trị PTDF được sử dụng để xác định lượng công suất truyền tải tăng lên trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Xét giao dịch giữa bên bán m và bên mua n, trong đó tập trung vào đường dây "l" tải một phần công suất giao dịch, kết nối giữa nút i và nút j Khi có sự thay đổi công suất thực trong giao dịch giữa bên bán và bên mua với lượng ∆, nếu sự thay đổi công suất trên đường dây truyền tải cũng là ∆, thì hệ số phân bố công suất truyền tải được định nghĩa như sau:

2.5.3 Phương pháp xác định ATC bằng hệ số PTDF

Để xác định hệ số phân bố công suất truyền tải bằng mô hình xoay chiều AC, cần tìm độ nhạy dòng công suất và Jacobian của phương trình công suất bơm vào Ma trận Jacobian có thể được xác định thông qua phương pháp Newton-Raphson (N-R).

Ta xem xét một nút bất kỳ trong hệ thống điện như được mô tả ở Hình 2.2, nơi đường dây truyền tải được biểu diễn qua mô hình với tổng trở được chuyển đổi thành tổng dẫn trong hệ đơn vị MVA.

Hình 2.2: Nút tiêu biểu của một hệ thống điện Áp dụng định luật Kirchoff về dòng điện tại nút này ta có: ̇ = ̇ + ̇ − ̇ + ̇ − ̇ + ⋯ + ̇ − ̇

Hay dòng điện vào nút i:

Phương trình này có thể viết lại dưới dạng ma trận tổng dẫn nút như sau : ̇ = ∑ ̇ ̇ (2.6)

Chuyển sang tọa độ cực : ̇ = ∑ ∠( + ) (2.7)

Công suất P, Q tại nút i là :

Thay Ii từ (2.7) vào (2.8), ta được :

Tách phần thực và phần ảo :

Trong bài viết này, n đại diện cho tổng số nút, trong khi P và Q là công suất thực và phản kháng bơm vào tại nút i Biên độ điện áp tương ứng tại nút i và j được ký hiệu là |Vi| và |Vj|, cùng với góc điện áp tại các nút này được biểu thị là δi và δj Các thông số này được lấy từ ma trận tổng dẫn Y bus.

Khai triển Taylor và ma trận Jacobian được sử dụng để mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa sự thay đổi nhỏ của góc điện áp ∆ và biên độ áp ∆| | với sự thay đổi nhỏ của công suất tác dụng và công suất phản kháng ∆ và ∆ Các phần tử trong ma trận Jacobian được xác định bằng cách lấy đạo hàm từng phần của các phương trình liên quan.

Sự thay đổi góc điện áp và biên độ áp có thể được xác định như bên dưới:

Sử dụng phương pháp N-R để phân tích biên độ áp và góc điện áp tại nút

Hệ số PTDF được tính toán để xác định ma trận Jacobian và độ nhạy của dòng công suất Độ nhạy dòng công suất có thể được xác định thông qua phương trình công suất.

Dòng công suất tác dụng P ij trên đường dây thứ k, được kết nối giữa nút i và nút j có thể được viết như bên dưới:

Trong đó: và là biên độ điện áp và góc điện áp tại nút i và là tổng dẫn và góc thành phần thứ ij của ma trận [ ]

Khi triển khai Taylor dựa trên các biến gán ban đầu và không xem xét các phần tử bậc cao hơn, sự thay đổi công suất tác dụng có thể được biểu diễn như sau:

Hệ số độ nhạy tìm ra trong công thức (2.15) bằng cách lấy đạo hàm từng phần của dòng công suất tác dụng (2.16) theo và V như bên dưới:

Phương trình độ nhạy của dòng công suất có thể được viết gọn dưới dạng ma trận như bên dưới:

Độ nhạy dòng công suất trên dây truyền tải tương ứng với góc điện áp và biên độ điện áp Trong một giao dịch đơn phương giữa nút bán m và nút mua n, sự thay đổi giao dịch công suất có thể được thay thế tại nút m và nút n.

Vì vậy, PTDFs cho giao dịch giữa nút bán m và nút mua n có thể được viết như bên dưới :

Độ nhạy PTDFs được tính toán cho từng đường dây truyền tải và giao dịch cụ thể giữa nút bán và nút mua Phương pháp Jacobian N-R được sử dụng để xác định PTDFs.

Sự thay đổi dòng công suất có thể được xác định thông qua độ nhạy của dòng công suất trên đường dây liên quan đến góc điện áp và điện áp Đồng thời, sự thay đổi của góc điện áp và điện áp có thể được tính toán bằng phương pháp Newton-Raphson (N-R) như đã trình bày dưới đây.

Hiện nay, ma trận Jacobian và hệ số độ nhạy dòng công suất được sử dụng để xác định khả năng truyền tải còn lại (ATC) trên hệ thống điện mà không cần xem xét thêm các yếu tố khác.

Xác định giá trị ATC xét trường hợp hệ thống hoạt động bình thường

Phương pháp Jacobian N-R thiết lập ma trận Jacobian và độ nhạy dòng công suất được sử dụng để tính PTDF Dòng công suất tác dụng trong điều kiện cơ

Phương pháp N-R đã xác định 19 bản, kết hợp với giới hạn của đường dây truyền tải và dữ liệu đã cho, nhằm xác định khả năng truyền tải hợp lý (ATC).

Khả năng truyền tải còn lại ATC giữa vùng m và vùng n, với việc xem xét giá trị nhiệt khi quá tải trên đường dây i trong trạng thái bình thường, được xác định như sau:

, : Lượng giao dịch tối đa cho phép từ vùng bánm đến vùng muanthông qua giới hạn công suất trên đường dây ij

: Khả năng truyền tải còn lại ATC trên đường dây ij bất kỳvớigiao dịch giữa vùngm và vùngn

: Giới hạn nhiệt của đường dây ij bất kỳ

: Dòng công suất tác dụng của đường dây ij ở trạng thái bình thường

, : Hệ số PTDF trên đường dây ij với giao dịch bên bán m và bên mua n : Tổng số đường dây trong hệ thống.

Xác định giá trị ATC trong trường hợp khẩn cấp sự cố đường dây

LOPTDF và OTDF là hai hệ số quan trọng trong việc xác định ATC trong trường hợp khẩn cấp do sự cố đường dây LOPTDF đại diện cho dòng công suất trên đường dây còn lại khi một đường dây khác bị mất điện Khi xem xét các tình huống khẩn cấp, giá trị PTDF được gọi là OTDF, cho thấy sự thay đổi của dòng công suất sau sự cố Hệ số OTDF mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa dòng công suất và giao dịch giữa người bán và người mua.

Xét sự cố mất điện trên đường dây giữa nút r và nút s, với dòng công suất thực trước sự cố Cần phân tích sự ảnh hưởng của sự cố này đối với dòng công suất từ nút r đến nút s và ngược lại từ nút s đến nút r.

20 là dòng công suất trên đường dây ij sau sự cố đường dây rs Sự thay đổi công suất có thể được xác định như sau:

LOPTDF được định nghĩa là tỷ số của ∆, thể hiện dòng công suất thực được truyền tải qua đường dây gặp sự cố giữa hai nút r và s Công thức xác định LOPTDF được trình bày như sau:

Giá trị OTDF của đường dây ij trong suốt sự cố mất điện đường dây rs được xác định như bên dưới:

Có được giá trị , , khả năng truyền tải còn lại trên đường dây ij với sự cố mất điện đường dây rs được xác định như bên dưới:

Lượng giao dịch tối đa từ vùng bán m đến vùng mua n bị ảnh hưởng bởi giới hạn công suất trên đường dây ij khi xảy ra sự cố mất điện trên đường dây rs.

, : Khả năng truyền tải còn lại ATC trên đường dây ij bất kỳ vớigiao dịch giữa vùngm và vùngn xẩy ra sự cố mất điện đường dây rs

, : Dòng công suất trên đường dâyij sau sự cố mất điện đường dây rs

, : Hệ số công suất trên đường dây ij khi sự cố mất điện đường dây rs

, : Hệ số PTDF trên đường dây ij với giao dịch bên bán m và bên mua n

, : Hệ số PTDF trên đường dây rs với giao dịch bên bán m và bên mua n : Tổng số đường dây trong hệ thống

: Tổng số tình trạng khẩn cấp mất đường dây.

Xác định giá trị ATC trong trường hợp khẩn cấp sự cố máy phát

Giá trị là hệ số độ nhạy của dòng công suất MW trên đường dây ij khi có sự thay đổi hoặc sự cố máy phát tại nút k Sự thay đổi này được giả định là phần bù vào từ sự thay đổi phát điện tại nút đang xét, trong khi tất cả các máy phát khác giữ nguyên Để tính toán sự thay đổi dòng công suất trên mỗi đường dây khi máy phát điện gặp sự cố, ta sử dụng một công thức cụ thể.

, : Dòng công suất trên đường dây ij sau sự cố máy phát tại nút k

∆ , : Lượng công suất thay đổi trên đường dây ij khi sự cố máy phát tại nút k : Tổng số đường dây trong hệ thống

: Tổng số lượng máy phát bị sự cố được xem xét

Khả năng truyền tải còn lại cho mỗi trường hợp sự cố máy phát được xác định như bên dưới:

Lượng giao dịch tối đa từ vùng bán m đến vùng mua n bị giới hạn bởi công suất trên đường dây ij khi xảy ra sự cố máy phát tại nút k.

, : Khả năng truyền tải còn lại ATC trên đường dây ij bất kỳ vớigiao dịch giữa vùng m và vùng n xẩy ra sự cố máy phát tại nút k

, : Dòng công suất trên đường dâyij sau sự cố máy phát tại nút k

, : Hệ số độ nhạy dòng công suất MW trên đường dây ij với sự thay đổi hoặc sự cố máy phát xảy ra tại nút k

: Tổng số đường dây trong hệ thống

: Tổng số lượng máy phát bị sự cố được xem xét.

Lưu đồ xác định ATC cho mỗi giao dịch trong thị trường điện

Ta có lưu đồ giải thuật xác định ATC như Hình 2.3

1 Bước 1: Mô tả chi tiết hệ thống điện

2 Bước 2: Chạy bài toán trào lưu công suất

3 Bước 3: Xác định giao dịch m-n

4 Bước 4: Tính toán PTDF cho các nhánh ij (2.26)

5 Bước 5: Xác định khả năng truyền tải cho các nhánh ij

6 Bước 6: Xác định khả năng truyền tải còn lại - ATC (3.28)

7 Bước 7: Nếu đường dây hoặc máy phát bị sự cố, mô phỏng tình trạng khẩn cấp và sau đó tiếp tục, nếu không thì sang bước 10

8 Bước 8: Nếu đường dây bị sự cố, thì tính LOPTDF, OTDF, hoặc sự cố máy phát tính GODF, hoặc vừa sự cố đường dây, vừa sự cố máy phát

9 Bước 9: Xác định ATC cho tình trạng sự cố (2.36)

10 Bước 10: Sau khi hoàn thành giao dịch, tiếp tục tính toán cho giao dịch khác

11 Bước 11: Hiển thị kết quả giá trị ATC đã được tính toán

23 Hình 2.3: Lưu đồ xác định ATC cho mỗi giao dịch trong thị trường điện

Mô tả chi tiết hệ thống điện Chạy bài toán trào lưu công

Xác định giao dịch m-n Xác định hệ số PTDF cho các nhánh Xác định khả năng truyền tải còn lại - ATC

Có sự cố xẩy ra không?

Tính ATC cho sự cố

NÂNG CAO ATC SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS

Tổng quan về thiết bị FACTS

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra ứng dụng của thiết bị FACTS, đặc biệt là thiết bị phát nguồn công suất phản kháng trong hệ thống lưới điện để đảm bảo ổn định điện áp Tuy nhiên, việc đánh giá và lựa chọn thiết bị phát công suất phù hợp, cũng như xác định dung lượng bù tối ưu trong phân tích chế độ xác lập và quá độ vẫn chưa được chú trọng đầy đủ.

Hiện nay, hệ thống điện mà chúng ta sử dụng chủ yếu là hệ thống điện xoay chiều, bao gồm các thành phần phức tạp như máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, thiết bị bù và các phụ tải Hệ thống này được chia thành ba khâu chính: sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng.

Muốn cho hệ thống điện xoay chiều hoạt động, chúng ta cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:

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

 Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép

 Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép

 Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải

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

Trong hệ thống điện, công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trở, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối Những yếu tố này quyết định giới hạn công suất truyền tải Để cải thiện khả năng truyền tải, có thể tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải và lắp đặt cuộn kháng bù ngang hoặc tụ điện bù dọc Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng để nâng cao khả năng truyền tải cho hệ thống điện.

Các thiết bị bù hiện tại vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về phản ứng nhanh khi có sự thay đổi đột ngột trong nhu cầu công suất phản kháng Do đó, thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được phát triển để cung cấp khả năng phản ứng nhanh và dung lượng bù tối ưu cho hệ thống trong mọi chế độ làm việc Bên cạnh đó, FACTS còn giúp nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng cường khả năng truyền tải công suất trên các đường dây.

FACTS, theo định nghĩa của IEEE, là hệ thống sử dụng thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây truyền tải điện xoay chiều, nhằm nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất.

Tình trạng tiêu thụ điện thay đổi theo từng thời điểm dẫn đến sự khác biệt trong vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải Có thể xảy ra tình trạng quá tải trên một số đường dây trong khi các đường dây khác lại không tải Với sự phát triển công nghiệp hóa hiện nay, nhu cầu truyền tải điện ngày càng cao, khiến cho các đường dây truyền tải cao áp thường xuyên trong tình trạng báo động Điều này dẫn đến các hiện tượng như quá tải đường dây và nhiễu hệ thống, bao gồm dao động tần số và điện áp.

Để nâng cao khả năng truyền tải điện năng và khắc phục những nhược điểm trong hệ thống điện, các thiết bị FACTS đã được áp dụng trên toàn cầu Những thiết bị này cho phép điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây xoay chiều cao áp, mang lại nhiều lợi ích cho nhà cung cấp điện.

 Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS

 Giảm chi phí đầu tư

 Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải

 Tăng độ ổn định quá độ của lưới

 Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao

 Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh

 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.

Phân loại các thiết bị FACTS

FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện thông qua hai phương thức chính: bù dọc (nối tiếp) và bù ngang (song song), hoặc kết hợp cả hai phương thức này.

Các thiết bị FACTS được phân loại thành bốn nhóm chính: thiết bị điều khiển nối tiếp, thiết bị điều khiển song song, thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp, và thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – song song.

Các thiết bị FACTS thường được sử dụng đó là:

Thyristor Controlled Series Compensator - TCSC: Bộ bù dọc điều khiển Thyristor

Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo của TCSC

Static Synchronous Series Compensator - SSSC: Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh

Hình 3.2: Sơ đồ đơn giản của SSSC

Static Var Compensator - SVC: Bộ bù Var tĩnh

Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo của SVC

Static Synchronous Compensator (STATCOM): Bộ bù đồng bộ tĩnh

Hình 3.4: Sơ đồ cấu tạo của STATCOM

Bù hỗn hợp dọc ngang:

Unified Power Flow Controller - UPFC: Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất

Hình 3.5: Sơ đồ cấu tạo của UPFC Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer (TCPST): Máy biến áp pha.

Một số mô hình thiết bị FACTS

3.3.1 Thiết bị bù ngang STATCOM - Static Synchronous Compensator Để phân tích dòng công suất, STATCOM được trình bày bởi nguồn áp có biên độ điện áp và góc điện áp với trở kháng trong được kết nối tại nút i, được trình bày Hình 3.7 Phần công suất thực và phản kháng bơm vào tại nút i của STATCOM [11] được viết như bên dưới:

Với việc xem xét ma trận Jacobian và hệ số độ nhạy dòng công suất, thì PTDFs có thể được tính toán với STATCOM

Hình 3.7: Mạch tương đương của STATCOM

3.3.2 Thiết bị bù dọc SSSC – Static Synchronous Series Compensator

Mô hình SSSC được thể hiện trong Hình 3.8 Khi điện áp bù trên dây truyền tải có một góc nhất định, công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút i, nơi kết nối với đường dây ij có SSSC lắp đặt, có thể được xác định theo công thức dưới đây.

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút j có thể được viết như sau:

Thành phần của ma trận Jacobian thay đổi khi sử dụng SSSC Quy trình để xác định ma trận Jacobian được mô tả chi tiết trong tài liệu [11] Khi có độ nhạy dòng công suất liên quan đến SSSC và các thành phần của ma trận Jacobian, PTDFs có thể được tính toán để xác định ATC.

Hình 3.8: Mạch tương đương của SSSC

3.3.3 Thiết bị bù hỗn hợp UPFC – Unified Power Flow Controller

Trong trạng thái hoạt động ổn định, UPFC chủ yếu được sử dụng để điều khiển điện áp và dòng công suất Mạch tương đương của UPFC được thể hiện trong Hình 3.9 Các phương trình liên quan đến công suất thực và phản kháng tại các nút i và j có thể được diễn đạt như sau [11].

: được lấy từ ma trận tổng dẫn

Thành phần ma trận Jacobian trong mô hình bơm công suất vào với UPFC có thể điều chỉnh được theo ma trận Jacobian N-R trong điều kiện cơ bản Độ nhạy của dòng công suất và ma trận Jacobian với UPFC cho phép tính toán PTDFs, từ đó xác định ATC một cách chính xác.

Hình 3.9: Mạch tương đương của UPFC

3.3.4 Thiết bị bù dọc TCSC – Thyristor Controlled Series Capacitor

Bộ bù nối tiếp điều khiển bằng Thyristor (TCSC) là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS), được phát triển từ tụ nối tiếp truyền thống bằng cách thêm một bộ phản ứng điều khiển bằng thyristor Bộ phản ứng này kết nối song song với tụ nối tiếp, cho phép tạo ra hệ thống bù dọc điện kháng với khả năng thay đổi liên tục và nhanh chóng Các lợi ích chính của TCSC bao gồm khả năng cải thiện ổn định hệ thống, tối ưu hóa công suất và giảm tổn thất điện năng.

 Tăng khả năng truyền tải công suất của đường dây

 Cải thiện độ ổn định của hệ thống

 Giảm tổn thất của hệ thống

 Cải thiện biên độ điện áp của đường dây

 Điều khiển đươc dòng công suất đường dây

 Tối ưu dòng công suất giữa các đường dây song song

TCSC bao gồm ba thành phần chính: tụ bù C, cuộn kháng bù L kết nối với mạch thyristor, và hai thyristor điều khiển T1 và T2 Hai thyristor T1 và T2 được kích hoạt trực tiếp với góc từ 90° đến 180°, cho phép điều chỉnh điện áp của tụ C Đường đặc tính điện kháng của thiết bị TCSC thể hiện mối quan hệ giữa điện kháng hiệu dụng và góc kích Điện kháng hiệu dụng của TCSC tăng từ giá trị XL đến trạng thái cộng hưởng song song, nơi XL bằng XC Theo lý thuyết, giá trị X TCSC là không xác định, và khu vực này được gọi là miền cảm kháng Sự gia tăng của XL trong vùng dung kháng bắt đầu giảm từ điểm không xác định đến giá trị nhỏ nhất của dung kháng.

X C Vì vậy, đặc tính điện kháng của TCSC cho thấy cả hai vùng cảm kháng và dung kháng có thể thay đổi thông qua góc kích ( )

TCSC có khả năng điều chỉnh để hoạt động trong trạng thái điện kháng với tính dung thay đổi (XC > XL) hoặc trong trạng thái cảm kháng (XC < XL), đồng thời cần tránh tình trạng cộng hưởng (XC = XL).

Xét Hình 3.1 điện kháng của mạch TCSC là mạch LC mắc song song nên ta có:

Thế các phương trình (3.14), (3.15), (3.16) vào phương trình (3.13) ta được:

Với: = ; = 2( − ) gọi là góc dẫn

Hình 3.10: Đặc tính điện kháng của TCSC

X L :Là trở kháng của cuộn cảm

( ): Là trở kháng hiệu dụng của cuộn cảm tại góc kích và được giới hạn

Khi góc kích của SCR thay đổi, trị số điện kháng đẳng trị của TCSC luôn mang dấu âm, tương ứng với tụ bù dọc Sự thay đổi này dẫn đến dung kháng của TCSC biến đổi liên tục, giảm dần đến một giá trị âm đủ lớn.

3.3.4.2 Mô hình tĩnh của TCSC

Mô hình đường dây đơn giản giữa hai nút i và j được mô tả với các thông số điện áp phức V i  i và V j  j Dòng công suất thực và công suất phản kháng trên nhánh từ nút i đến nút j có thể được xác định dựa trên các giá trị này.

Tương tự công suất thực và công suất phản kháng trên nhánh từ nút j đến nút i:

Hình 3.11: Mô hình đường dây truyền tải

= (3.25) r ij , x ij : Lần lượt là điện trở và điện kháng trên đường dây ij

, : Là điện dẫn, dung dẫn trên nhánh đường dây ij

P ij và Q ij : Lần lượt là công suất tác dụng và công suất phản kháng truyền từ nút i đến nút j

P ji và Q ji : Lần lượt là công suất tác dụng và công suất phản kháng truyền từ nút j đến nút i

Mô hình đường dây truyền tải có TCSC được đặt giữa nút i và j, như thể hiện trong Hình 3.12 Trong trạng thái ổn định, TCSC hoạt động như một điện kháng tĩnh với giá trị jx TCSC Do đó, điện dẫn và dung dẫn trên đường dây ij sẽ thay đổi theo công thức đã được xác định.

Trong bài viết này, chúng tôi phân tích sự khác biệt giữa phương trình dòng công suất trên đường dây truyền tải thông thường và đường dây có thiết bị điều chỉnh công suất TCSC TCSC cho phép điều chỉnh trở kháng x TCSC, với chức năng bù dung kháng hoặc cảm kháng Chúng tôi chỉ tập trung vào việc điều chỉnh trực tiếp trở kháng của đường dây truyền tải thông qua TCSC.

Trong đó K = XTCSC/Xij là mức độ bù nối tiếp và X ij là điện kháng của đường dây ij, K là hệ số bù của TCSC

Hình 3.12: Mô hình đường dây truyền tải có TCSC

Dòng công suất thực và công suất phản kháng từ nút i đến nút j, và từ nút j đến nút i sẽ là:

Xác định giá trị PTDF với những thiết bị FACTS

Khi thực hiện một thay đổi trên đường dây truyền tải với một lượng ∆ thông qua giao dịch giữa nút bán m và nút mua n của các thiết bị FACTS, hệ số PTDF có thể được xác định theo công thức cụ thể.

Các phương trình liên quan đến thiết bị FACTS đã được phân tích Sự thay đổi của dòng công suất tại nút i có thể được diễn đạt thông qua khai triển Taylor dưới dạng ma trận như sau.

Sự thay đổi góc và biên độ điện áp có thể được xác định như bên dưới:

Thành phần ma trận Jacobian của một số thiết bị FACTS có thể được xác định như bên dưới:

Để tính công suất phản kháng bơm vào tại nút i, ta đặt công suất thực bơm vào P i,statcom = 0 Do đó, các thành phần của ma trận Jacobian J 3 và J 4 có thể được điều chỉnh và sẽ được trình bày như dưới đây.

Sự thay đổi thành phần ma trận Jacobian J 1 và J 2 , J 3 và J 4 thể được trình bày như bên dưới:

Sự thay đổi thành phần ma trận Jacobian có thể được trình bày như bên dưới:

Sự thay đổi thành phần ma trận Jacobian J 1 và J 2 , J 3 và J 4 thể được trình bày như bên dưới:

Phương pháp N-R được áp dụng để phân tích biên độ áp và góc điện áp tại nút Hệ số PTDF được tính toán, cùng với việc xác định ma trận Jacobian và độ nhạy dòng công suất liên quan đến thiết bị FACTS Độ nhạy dòng công suất có thể được xác định thông qua phương trình công suất với thiết bị FACTS Bằng cách khai triển Taylor theo các biến gán ban đầu và không xét các phần tử bậc cao hơn, sự thay đổi công suất tác dụng có thể được diễn đạt như sau.

Hệ số độ nhạy trong (3.63) được xác định từ đạo hàm thành phần của dòng công suất thực Phương trình độ nhạy dòng công suất có thể được biểu diễn một cách ngắn gọn dưới dạng ma trận như sau:

Công thức (3.64) có thể được thay thế từ công thức (3.36) khi có sự thay đổi về biên độ và góc điện áp Đối với một giao dịch hai bên Pt giữa nút bán m và nút mua n, vector công suất bơm vào tại vị trí mong đợi được biểu diễn bằng ∆ = +.

∆ = − , sự thay đổi dòng công suất có thể như công thức bên dưới:

Vì vậy, PTDFs với thiết bị FACTS cho giao dịch hai bên có thể được viết như bên dưới:

Xác định giá trị ATC có thiết bị FACTS

3.5.1 Trong trường hợp hệ thống hoạt động bình thường

, , : Lượng giao dịch tối đa cho phép từ vùng bán m đến vùng mua nthông qua giới hạn công suất trên đường dây ij có đặt thiết bị FACTS

, : Khả năng truyền tải còn lại ATC trên đường dây ij bất kỳ vớigiao dịch giữa vùngm và vùngn khi có thiết bị FACTS

, : Hệ số PTDF trên đường dây ij với giao dịch bên bán m và bên mua n có đặt thiết bị FACTS

3.5.2 Trong trường hợp khẩn cấp sự cố đường dây

Lượng giao dịch tối đa cho phép giữa vùng bán m và vùng mua n được xác định thông qua giới hạn công suất trên đường dây ij Điều này đặc biệt quan trọng khi xảy ra sự cố mất điện trên đường dây rs, nơi có lắp đặt thiết bị FACTS, nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong hệ thống điện.

Khả năng truyền tải còn lại của ATC trên đường dây ij trong trường hợp xảy ra sự cố mất điện đường dây rs, khi có giao dịch giữa vùng m và vùng n, sẽ được cải thiện nhờ vào việc lắp đặt thiết bị FACTS.

, , : Dòng công suất trên đường dây ij sau sự cố mất điện đường dây rs

, , : Hệ số công suất trên đường dây ij khi sự cố mất điện đường dây rs có thiết bị FACTS

, : Hệ số PTDF trên đường dây ij với giao dịch bên bán m và bên mua n có lắp đặt thiết bị FACTS

, , : Hệ số PTDF trên đường dây rs với giao dịch bên bán m và bên mua n trước sự cố

: Tổng số tình trạng khẩn cấp mất đường dây

3.5.3 Trong trường hợp khẩn cấp sự cố máy phát

Giá trị là hệ số độ nhạy của dòng công suất MW trên đường dây ij, phản ánh sự thay đổi hoặc sự cố máy phát tại nút k trong hệ thống có lắp đặt thiết bị FACTS.

, , : Dòng công suất trên đường dây ij sau sự cố máy phát tại nút k có thiết bị FACTS

∆ , , : Lượng công suất thay đổi trên đường dây ij khi sự cố máy phát tại nút k khi có thiết bị FACTS

: Tổng số lượng máy phát bị sự cố được xem xét

Khả năng truyền tải còn lại cho mỗi trường hợp sự cố máy phát được xác định như bên dưới:

Lượng giao dịch tối đa cho phép từ vùng bán m đến vùng mua n được xác định thông qua giới hạn công suất trên đường dây ij, đặc biệt khi xảy ra sự cố máy phát tại nút k, với sự hỗ trợ của thiết bị FACTS.

Khả năng truyền tải còn lại của ATC trên đường dây ij có thể được duy trì khi xảy ra sự cố máy phát tại nút k, đặc biệt khi có sự hỗ trợ của thiết bị FACTS trong giao dịch giữa vùng m và vùng n.

, : Dòng công suất trên đường dây ij sau sự cố máy phát tại nút k

Hệ số độ nhạy dòng công suất MW trên đường dây ij phản ánh sự thay đổi dòng công suất khi có sự cố hoặc thay đổi máy phát tại nút k, đặc biệt khi có sự hiện diện của thiết bị FACTS.

: Tổng số lượng máy phát bị sự cố được xem xét.

Tối ưu hóa lựa chọn thiết bị FACTS

Hiện nay, thiết bị FACTS đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển điện áp truyền tải, phân bố công suất, giảm tổn thất phản kháng và giảm dao động công suất hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng truyền tải công suất cao Việc lắp đặt các bộ điều khiển FACTS cần được xem xét kỹ lưỡng để nâng cao khả năng truyền tải công suất, trong đó việc lắp đặt đúng cách các thiết bị FACTS là rất quan trọng Nếu lắp đặt không phù hợp, các bộ điều khiển FACTS có thể làm giảm hiệu suất tối ưu và mất đi tính hữu ích của hệ thống.

Việc sử dụng thiết bị FACTS trên đường dây truyền tải là rất cần thiết do những khó khăn trong quản lý và vận hành hệ thống điện, cũng như những tính năng vượt trội mà FACTS mang lại.

Việc xác định vị trí tối ưu để đấu nối thiết bị FACTS là rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay, nhằm đảm bảo khả năng nhận công suất, phát công suất và truyền tải công suất trên đường dây đạt mức tối đa.

TCSC là một trong những thiết bị FACTS phổ biến nhất nhờ khả năng kết nối trực tiếp với đường dây trong hệ thống truyền tải Việc lắp đặt TCSC có thể là giải pháp hiệu quả để khắc phục các vấn đề trong hệ thống điện.

Lưu đồ xác định ATC khi có thiết bị TCSC

Bước 1: Đọc thông số của hệ thống bao gồm thông số các nút và đường dây

Bước 2: Chọn giao dịch công suất giữa bên bán và bên mua

Bước 3 : Xác định ATC trong trường hợp bình thường

Bước 4: Chọn đường dây lắp đặt thiết bị TCSC nằm trong mạch vòng nhỏ nhất chứa đường dây có giá trị ATC nhỏ nhất

Bước 5: Chọn lượng bù lúc ban đầu K=1%

Bước 6: Tìm ma trận tổng dẫn Y Bus

Bước 7: Tìm ma trận Jacobian N-R sau khi đã lắp đặt thiết bị TCSC

Bước 8: Kiểm tra xem có sự cố nào xảy ra trên hệ thống điện hay không Nếu phát hiện sự cố, hãy tiếp tục thực hiện bước 9 Ngược lại, nếu không có sự cố, bạn có thể chuyển sang bước 15.

Bước 10: Chọn đường dây mất điện hoặc nút bị sự cố máy phát

Bước 11: Tính biên độ áp và góc điện áp cho trường hợp sự cố

Bước 12: Tính LOPTDF, OTDF với sự cố đường dây hoặc GODF với sự cố máy phát

Bước 13: Tính ATC trong trường hợp sự cố

Bước 14: Tất cả sự cố giải quyết hết chưa? Nếu chưa thì quay lại bước 10 Nếu xong thì sang bước 18

Bước 15: Tính điện áp và góc điện áp sử dụng phương pháp N-R và dòng công suất đường dây

Bước 16: Tính các hệ số độ nhạy công suất và ACPTDF

Bước 17: Tính ATC trong trường hợp không bị sự cố

Bước 18: Xét ATC đã được hội tụ chưa? Nếu chưa thì tăng K = K+1và quay lại bước 5 Nếu đã hội tụ thì tiếp tục bước kế tiếp

Bước 19: Hiển thị kết quả ATC

Bước 20: Hiển thị dung lượng TCSC đặt trên đường dây mà hệ thống điện có ATC tốt nhất

Bước 21: Kiểm tra xem TCSC đã được đặt trên tất cả các đường dây còn lại hay chưa Nếu chưa hoàn tất, quay lại bước 4 Nếu đã hoàn thành, quy trình sẽ được kết thúc.

Giao dịch: là giao dịch công suất giữa nút bán và nút mua

Trên hệ thống điện, có thể xảy ra nhiều sự cố nghiêm trọng như mất điện đường dây, hư hỏng máy phát, hoặc đồng thời gặp sự cố ở cả đường dây và máy phát.

ATC hội tụ là quá trình xác định khả năng truyền tải tối ưu của các đường dây điện Bằng cách tính toán khả năng truyền tải sau mỗi lần tăng bù 1%, chúng ta có thể tìm ra mức bù tối đa mà không gây ra hiện tượng quá bù Kết quả này giúp đảm bảo hiệu suất truyền tải cao nhất mà vẫn duy trì an toàn cho hệ thống.

Tất cả các sự cố đã được giải quyết triệt để Do tính chất ngẫu nhiên và không lường trước của các sự cố, nên ngay từ đầu, bài toán đặt ra yêu cầu phải xử lý hoàn toàn mọi sự cố phát sinh.

Lưu đồ Hình 3.13 xác định tiêu chí tính toán ATC trong trường hợp bình thường khi chưa có thiết bị TCSC Sau đó, thiết bị TCSC được lắp đặt vào nhánh của mạch vòng nhỏ nhất chứa nhánh có ATC thấp nhất Việc so sánh các trường hợp cải thiện ATC giúp xác định nhánh phù hợp nhất để đặt thiết bị TCSC, đây cũng là điểm mới trong luận văn.

45 Hình 3.13: Lưu đồ xác định ATC khi có TCSC

Tính các hệ số PTDF

Tính điện áp và góc điện áp sử dụng phương pháp N-R và dòng công suất đường dây

Xác định khả năng truyền tải ATC

ATC đã hội tụ chưa?

Thiết lập đếm sự cố T = 0

Tính biên độ điện áp và góc điện áp

Xác định khả năng truyền tải

Tất cả các sự cố được giải quyết chưa?

Hiển thị kết quả ATC

Xác định thông số các nút, đường dây

Có sự cố nào không?

TCSC lần lượt đặt trên các nhánh còn lại chưa?

Hiển thị dung lượng TCSC

Xác định ATC trong trường hợp bình thường Chọn đường dây đặt TCSC nằm trong mạch vòng nhỏ nhất chứa đường dây có ATC nhỏ nhất

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Bus

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,95 MB