Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành điện toàn cầu đang chuyển đổi mạnh mẽ với sự tham gia của thị trường điện cạnh tranh, việc đảm bảo an ninh và ổn định hệ thống điện trở thành một thách thức lớn. Theo ước tính, tổn thất điện năng và giới hạn công suất truyền tải vẫn là những vấn đề nổi bật, đặc biệt khi hệ thống điện chưa hoàn toàn tham gia vào thị trường điện cạnh tranh. Công nghệ thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được nhiều quốc gia phát triển như Mỹ, Canada, Brazil áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và ổn định điện áp hệ thống. FACTS cho phép điều khiển điện áp, góc pha và trở kháng đường dây gần như tức thời, giúp vận hành đường dây truyền tải gần giới hạn nhiệt an toàn.

Luận văn tập trung nghiên cứu bài toán phối hợp điều khiển các thiết bị FACTS trong hệ thống điện nhằm khôi phục mức an ninh tĩnh, bao gồm hai yếu tố chính: điện áp và dòng công suất, sau các biến động trên hệ thống. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học các phần tử trong hệ thống điện có thiết bị FACTS, từ đó thiết lập chương trình giải bài toán tối ưu phối hợp điều khiển để đảm bảo an ninh tĩnh. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên hệ thống điện 24 nút với các thiết bị FACTS như SVC và STATCOM, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và ổn định vận hành hệ thống điện, đồng thời giảm thiểu tổn thất công suất và nguy cơ quá tải. Việc áp dụng chiến lược phối hợp điều khiển dựa trên bài toán tối ưu hóa ràng buộc giúp hệ thống điện vận hành hiệu quả hơn, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ và thị trường điện hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển phối hợp trong hệ thống điện và bài toán phân bố công suất tối ưu (Optimal Power Flow - OPF).

  1. Lý thuyết phối hợp điều khiển: Phối hợp điều khiển là sự kết hợp các bộ điều khiển của các phần tử trong hệ thống điện như bộ điều khiển kích từ máy phát điện, bộ điều áp dưới tải máy biến áp và các thiết bị FACTS (SVC, STATCOM) nhằm khôi phục mức an ninh tĩnh. Khái niệm an ninh tĩnh được định nghĩa qua giới hạn điện áp tại các nút và dòng công suất trên các nhánh không vượt quá giới hạn cho phép.

  2. Bài toán OPF: OPF được sử dụng để tìm các biến điều khiển tối ưu nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu như tổn thất công suất tác dụng và độ lệch điện áp, đồng thời thỏa mãn các ràng buộc đẳng thức (phương trình cân bằng công suất) và bất đẳng thức (giới hạn vận hành thiết bị). Luận văn áp dụng kỹ thuật lập trình tuần tự bậc hai (Sequential Quadratic Programming - SQP) để giải bài toán OPF có ràng buộc phi tuyến phức tạp, phù hợp cho ứng dụng thời gian thực.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: thiết bị FACTS (SVC, STATCOM), thiết bị đo lường đại lượng phức (Phasor Measurement Unit - PMU), hàm mục tiêu bậc hai trong tối ưu hóa, ràng buộc đẳng thức và bất đẳng thức trong bài toán OPF.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm mô hình hệ thống điện 24 nút với 5 máy phát điện, 18 đường dây truyền tải, 4 máy biến áp có điều áp dưới tải, cùng các thiết bị FACTS được lắp đặt tại các nút cụ thể (SVC tại nút 7, STATCOM tại nút 10). Dữ liệu chi tiết về các nút, đường dây, máy biến áp và thiết bị FACTS được thu thập và xử lý trong phần phụ lục.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng chiến lược phối hợp điều khiển dựa trên bài toán OPF có ràng buộc, được giải bằng thuật toán lập trình tuần tự bậc hai tiêu chuẩn trong môi trường MATLAB. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống điện 24 nút với các trường hợp cắt nhánh đường dây khác nhau để mô phỏng các biến động trên hệ thống.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2014, bao gồm các bước: xây dựng mô hình toán học, thiết lập hàm mục tiêu và ràng buộc, phát triển chương trình phối hợp điều khiển, mô phỏng các trường hợp sự cố và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khôi phục an ninh tĩnh sau sự cố cắt nhánh 4-17: Khi cắt nhánh đường dây giữa nút 4 và nút 17, xảy ra quá tải 109% trên đường dây 4-16 (272.5 MVA so với định mức 250 MVA) và điện áp tại các nút 5, 8, 12 giảm xuống 0.941 pu, thấp hơn giới hạn tối thiểu 0.95 pu. Sau khi áp dụng chiến lược phối hợp điều khiển, điện áp tại các nút này được khôi phục lên trên 0.95 pu và dòng công suất quá tải được giảm xuống dưới giới hạn cho phép.

  2. Hiệu quả phối hợp điều khiển trong trường hợp cắt nhánh 7-8: Cắt nhánh giữa nút 7 và 8 gây giảm điện áp tại một số nút phụ tải và hiện tượng quá tải nhẹ trên một số đường dây. Chiến lược phối hợp điều khiển đã điều chỉnh điện áp tham chiếu máy phát, vị trí nấc máy biến áp và tham số thiết bị FACTS, giúp điện áp ổn định trở lại trong khoảng 0.98-1.02 pu và giảm tải quá mức trên đường dây xuống dưới 95% công suất định mức.

  3. Ứng dụng thiết bị FACTS trong trường hợp cắt nhánh 6-10: Cắt nhánh kết nối đến thanh cái của STATCOM tại nút 10 làm giảm khả năng điều chỉnh điện áp và dòng công suất. Sau khi phối hợp điều khiển, các thiết bị FACTS như SVC và STATCOM được điều chỉnh tham số để bù đắp, giúp điện áp tại các nút liên quan tăng từ 0.93 pu lên 0.97 pu và giảm dòng công suất quá tải từ 110% xuống còn khoảng 98%.

  4. Tốc độ và độ ổn định của thuật toán SQP: Thuật toán lập trình tuần tự bậc hai tiêu chuẩn giải bài toán tối ưu phối hợp điều khiển với thời gian tính toán nhanh, phù hợp cho ứng dụng thời gian thực. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán hội tụ ổn định trong vòng vài bước lặp, đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong vận hành thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy chiến lược phối hợp điều khiển dựa trên bài toán OPF có ràng buộc giúp khôi phục mức an ninh tĩnh hiệu quả sau các biến động trên hệ thống điện. Việc kết hợp điều chỉnh điện áp tham chiếu máy phát, vị trí nấc máy biến áp và tham số thiết bị FACTS tạo ra sự phối hợp nhịp nhàng, giảm thiểu hiện tượng quá tải và vi phạm điện áp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, chiến lược này tổng quát hơn khi không chỉ tập trung vào điều khiển điện áp mà còn đồng thời kiểm soát dòng công suất, nâng cao tính ổn định và an toàn vận hành. Việc sử dụng thiết bị đo lường đại lượng phức (PMU) và thuật toán SQP giúp tăng tốc độ xử lý và khả năng ứng dụng trong thời gian thực, vượt trội so với các phương pháp cổ điển hoặc dựa trên trí tuệ nhân tạo phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp tại các nút trước và sau điều khiển, bảng so sánh dòng công suất trên các nhánh đường dây, minh họa rõ ràng hiệu quả của chiến lược phối hợp điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống phối hợp điều khiển tích hợp trong EMS: Đề xuất xây dựng module phần mềm phối hợp điều khiển tích hợp trong hệ thống quản lý năng lượng (EMS) để tự động điều chỉnh các thiết bị FACTS, máy phát và máy biến áp theo thời gian thực nhằm duy trì an ninh tĩnh. Thời gian thực hiện trong vòng 12-18 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị vận hành hệ thống điện.

  2. Mở rộng lắp đặt thiết bị FACTS trên hệ thống điện Việt Nam: Khuyến nghị tăng cường lắp đặt các thiết bị FACTS như SVC, STATCOM tại các nút trọng điểm nhằm nâng cao khả năng điều khiển điện áp và dòng công suất, giảm thiểu rủi ro quá tải. Mục tiêu tăng dung lượng thiết bị FACTS lên gấp 3 trong 5 năm tới, do các công ty truyền tải điện chủ trì.

  3. Nâng cao năng lực đo lường và giám sát bằng PMU: Đề xuất mở rộng mạng lưới thiết bị đo lường đại lượng phức (PMU) để thu thập dữ liệu chính xác, đồng bộ phục vụ cho việc điều khiển phối hợp. Thời gian triển khai 2 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và đơn vị vận hành.

  4. Đào tạo và nâng cao trình độ nhân lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển phối hợp và vận hành thiết bị FACTS cho kỹ sư vận hành hệ thống điện nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn. Thời gian đào tạo liên tục hàng năm, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành hệ thống điện: Nắm bắt kiến thức về phối hợp điều khiển thiết bị FACTS và bài toán OPF giúp nâng cao hiệu quả vận hành, xử lý sự cố nhanh chóng, giảm thiểu rủi ro quá tải và mất ổn định điện áp.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành điện: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu bài bản về điều khiển phối hợp trong hệ thống điện có thiết bị FACTS, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Đơn vị quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ vai trò của thiết bị FACTS và chiến lược điều khiển phối hợp trong việc nâng cao an ninh hệ thống điện, từ đó xây dựng chính sách đầu tư và phát triển hạ tầng điện phù hợp.

  4. Nhà cung cấp thiết bị và giải pháp công nghệ điện: Tham khảo các mô hình và thuật toán tối ưu để phát triển sản phẩm điều khiển thông minh, tích hợp thiết bị FACTS vào hệ thống điện hiện đại, đáp ứng nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị FACTS là gì và vai trò của chúng trong hệ thống điện?
    Thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) là các thiết bị điện tử công suất giúp điều khiển điện áp, dòng công suất và trở kháng đường dây truyền tải. Vai trò chính là nâng cao ổn định điện áp, tăng khả năng truyền tải và giảm tổn thất điện năng.

  2. Phối hợp điều khiển trong hệ thống điện có ý nghĩa gì?
    Phối hợp điều khiển là sự kết hợp các bộ điều khiển của máy phát, máy biến áp và thiết bị FACTS nhằm khôi phục và duy trì mức an ninh tĩnh của hệ thống điện sau các biến động, đảm bảo điện áp và dòng công suất trong giới hạn an toàn.

  3. Bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF) được giải quyết như thế nào trong luận văn?
    Luận văn sử dụng kỹ thuật lập trình tuần tự bậc hai (SQP) để giải bài toán OPF có ràng buộc phi tuyến, nhằm tìm các biến điều khiển tối ưu như điện áp tham chiếu máy phát, vị trí nấc máy biến áp và tham số thiết bị FACTS, đảm bảo an ninh tĩnh và giảm tổn thất.

  4. Lợi ích của việc sử dụng thiết bị đo lường đại lượng phức (PMU) trong nghiên cứu này?
    PMU cung cấp dữ liệu đo lường đồng bộ thời gian thực về điện áp và dòng điện tại nhiều điểm trên lưới điện, giúp xác định chính xác trạng thái hệ thống, hỗ trợ hiệu quả cho việc điều khiển phối hợp và tối ưu hóa vận hành.

  5. Chiến lược phối hợp điều khiển có thể áp dụng cho hệ thống điện lớn hơn không?
    Có thể áp dụng, tuy nhiên cần mở rộng mô hình và thuật toán để xử lý kích thước hệ thống lớn hơn, đồng thời phân vùng điều khiển để giảm độ phức tạp và tăng tốc độ tính toán, đảm bảo phù hợp với yêu cầu thời gian thực.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và chiến lược phối hợp điều khiển thiết bị FACTS nhằm khôi phục mức an ninh tĩnh của hệ thống điện sau các biến động.
  • Phương pháp giải bài toán OPF bằng kỹ thuật lập trình tuần tự bậc hai cho kết quả nhanh, ổn định và phù hợp ứng dụng thời gian thực.
  • Kết quả mô phỏng trên hệ thống điện 24 nút cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc điều chỉnh điện áp và giảm quá tải dòng công suất.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng rộng rãi thiết bị FACTS tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế module phối hợp điều khiển trong EMS, mở rộng lắp đặt thiết bị FACTS và đào tạo nhân lực vận hành chuyên sâu.

Hành động ngay hôm nay: Các đơn vị vận hành và nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm chiến lược phối hợp điều khiển trên hệ thống điện thực tế để nâng cao an ninh và ổn định hệ thống.