Đặt vấn đề: Ngày nay ngành điện ở nhiều nước trên thế giới đã cải tổ, tham gia vào thị trường điện tự do và đã mang lại hiệu quả kinh tế nhất định. Giữa các nhà máy điện có sự cạnh tranh làm giảm giá thành sản xuất điện. Bên cạnh những lợi ích mang lại, vẫn còn những hạn chế như việc cung cấp điện vẫn chưa thật ổn định, công suất truyền tải còn hạn chế và tổn thất điện năng vẫn còn cao trên hệ thống. Tất nhiên, những hạn chế đó lại càng gia tăng trong khi hệ thống điện chưa tham gia vào thị trường điện cạnh tranh.
Để giải quyết những hạn chế nêu trên, một số nước phát triển như Mỹ, Canada, Brasil.đã sử dụng công nghệ FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) trong lưới truyền tải. FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển để ổn định điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở kháng đường dây gần như tức thời. Ngoài ra nó còn cho phép đường dây vận hành gần với mức giới hạn về nhiệt của đường dây truyền tải. Các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, STATCOM, TCSC, SSSC, UPFC.
Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu giải bài toán tối ưu phối hợp điều khiển với mục đích khôi phục mức an ninh tĩnh của hệ thống điện có các thiết bị FACTS sau các biến động trên hệ thống điện. Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mô hình toán học các phần tử trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS để từ đó thiết lập chương trình giải bài toán tối ưu phối hợp điều khiển nhằm đáp ứng mục tiêu khôi phục mức an ninh tĩnh (static security) của hệ thống điện có các thiết bị FACTS sau các biến động trên hệ thống điện. Đây là bài toán vận hành, phải giải bài toán phối hợp điều khiển các phần tử trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS nhằm đáp ứng, thỏa mãn một mục tiêu 12 nào đó. Hướng phát triển của đề tài là giải bài toán tối ưu phối hợp điều khiển để thỏa mãn mục tiêu khôi phục mức mức an ninh tĩnh cho hệ thống điện có các thiết bị FACTS.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1. Phối hợp điều khiển: Phối hợp điều khiển là sự phối hợp điều khiển (liên quan đến điện áp và dòng công suất) giữa các bộ điều khiển của các phần tử trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS như bộ điều khiển kích từ máy phát điện, bộ điều áp dưới tải máy biến áp và các bộ điều khiển thiết bị FACTS (SVC, STATCOM, TCSC, UPFC…) với mục đích khôi phục mức an ninh tĩnh của hệ thống điện sau các biến động trên hệ thống điện. Việc điều chỉnh điện áp trong giới hạn cho phép là vấn đề phức tạp vì hệ thống điện liên kết nhiều nguồn với nhiều phụ tải ở mọi cấp bậc của hệ thống điện. Kết quả là giữ điện áp chỉ ở một điểm của hệ thống điện là chưa đủ mà trái lại phải giữ ở nhiều điểm ở mọi cấp bậc theo chiều ngang cũng như chiều dọc của hệ thống điện.
Trước đây, các thiết bị tham gia điều chỉnh điện áp bao gồm máy bù đồng bộ, tụ điện tĩnh (bù ngang, bù dọc), máy biến áp điều chỉnh và máy biến áp có đầu phân áp. Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện bằng tay hay tự động trong phạm vi nhỏ, không có sự phối hợp… 1. An ninh tĩnh: Mức an ninh tĩnh của hệ thống điện bao gồm hai yếu tố: điện áp và dòng công suất. Hệ thống điện có mức an ninh tĩnh nếu điện áp tại các nút (chủ yếu là nút tải) nằm trong giới hạn điện áp cho phép (dao động từ 0.05 pu) và dòng công suất trên tất cả các nhánh phải nhỏ hơn giá trị cho phép (không bị quá tải).
Thiết bị FACTS: Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển để ổn định điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở kháng đường dây gần như tức thời. Ngoài ra nó còn cho phép đường dây vận hành gần với mức giới hạn về 13 nhiệt của đường dây truyền tải. Các loại công nghệ FACTS có thể phân loại thành 4 loại chính như sau: - Loại nối tiếp TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitors): điều khiển dòng, ngăn cản dao động, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm đất. - Loại song song SVC (Static Var Compensator): điều khiển điện áp, ngăn cản dao động, bù công suất phản kháng, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp.
- Loại kết hợp nối tiếp với nối tiếp IPFC (Interline Power Flow Controller): điều khiển công suất phản kháng, điều khiển điện áp, ngăn cản dao động, ổn định điện áp, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống. - Loại kết hợp nối tiếp với song song UPFC (Unified Power Flow Controller): điều khiển công suất tác dụng và phản kháng, điều khiển điện áp, bù công suất phản kháng, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm đất, ngăn cản dao động. Những thiết bị FACTS lắp đặt đầu tiên đã đi vào hoạt động hơn 30 năm qua. Đến nay dung lượng các thiết bị FACTS đã được lắp đặt trên thế giới ngày càng lớn với hơn hàng trăm công trình.1: Ứng dụng thiết bị FACTS trong lưới điện (nguồn Internet) 14 Hình 1.2: Lợi ích kỹ thuật của các thiết bị FACTS (nguồn Internet) Hình 1.3: Hệ thống SVC - 230MVAr (nguồn Internet) 1.
Thiết bị đo lường đại lượng phức (Phasor Measurement Unit/PMU): Thiết bị đo lường đại lượng phức là thiết bị đo lường điện trên hệ thống điện, sử dụng một nguồn thời gian chung để đồng bộ hóa. Đồng bộ hóa thời gian cho phép đo thời gian thực đồng bộ của nhiều điểm đo lường từ xa trên lưới điện. Trong kỹ thuật điện, thiết bị cũng thường được gọi là ‘Synchrophasors’ và được xem là 15 một trong những thiết bị đo lường quan trọng nhất trong tương lai của hệ thống điện. Một PMU có thể là một thiết bị chuyên dụng hoặc chức năng của PMU có thể được tích hợp vào trong một relay bảo vệ hoặc thiết bị khác…Khác với các thiết bị bộ đo lường thông thường, thiết bị đo lường đại lượng phức (PMU) có thể đo được biên độ và góc pha của một đại lượng nào đó… Hình 1.4: Mô hình kết nối PMU (nguồn Internet) Hình 1.5: Mô hình lắp đặt PMU để giám sát lưới điện (nguồn Internet) 16 Hình 1.6: Mô hình lắp đặt các PMU tại các trạm biến áp (nguồn Internet) 1.
Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài nghiên cứu: Bài toán phân bố công suất tối ưu (Optimal Power Flow-OPF) được thiết lập để giải bài toán tối ưu phối hợp điều khiển các phần tử trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS để thỏa mãn một mục tiêu xác định nào đó, yêu cầu trong luận văn là đảm bảo mức an ninh tĩnh cho hệ thống điện có các thiết bị FACTS. Bài toán OPF đã có lịch sử phát triển từ rất lâu. Rất nhiều phương pháp, rất nhiều thuật toán đã được đưa ra để giải quyết bài toán này chẳng hạn như phương pháp cổ điển (phương pháp nội suy, Newton-Raphson, quy hoạch tuyến tính (Linear Programming), quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming), Tabu Search, SA- Simulated Annealing…), phương pháp quy hoạch tiến hóa (GA-Genetic Algorithm, DE-Differential Evolution, ACO-Ant Colony Optimization, PSO-Particle Swarm Optimization…) và phương pháp lai cải tiến kết hợp giữa hai phương pháp trên. Trong những năm gần đây, trí tuệ nhân tạo (AI) đã được phát triển, có thể giải quyết vấn đề rất phức tạp của OPF với số ràng buộc nhiều, phi tuyến, không lồi (non- convex), không khả vi, cực tiểu địa phương để tìm ra kết quả tối ưu toàn cục như phương pháp (GA), Hybrid TS/SA, lập trình tiến hóa (EP), PSO, HS, DE.
Các phương pháp lai đang phát triển rất mạnh và đã có những đóng góp to lớn cho khoa 17 học bởi tính hội tụ ưu việt của phương pháp cũng như thuật toán đơn giản dễ thực hiện, chương trình chạy nhanh hơn và kết quả chính xác hơn các phương pháp thông thường khác… Hiện nay, hệ thống điện Việt Nam chỉ bắt đầu lắp đặt vận hành khoảng 2-3 thiết bị SVC. Trong tương lai, khi sử dụng nhiều thiết bị FACTS trên hệ thống điện thì nghiên cứu sẽ được sử dụng để giải bài toán tối ưu phối hợp điều khiển các phần tử trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS để đáp ứng mục tiêu khôi phục mức an ninh tĩnh cho hệ thống điện. Tóm tắt một số bài báo công trình nghiên cứu có liên quan: - Nhóm tác giả T. Nguyen, Student Member, IEEE.
Application of Wide-Area Network of Phasor Measurements for Secondary Voltage Control in Power Systems with FACTS Controllers. Bài báo dựa trên điện áp hệ thống điện thu được từ các thiết bị đo lường đại lượng phức (PMU) và mạng thông tin liên lạc diện rộng, một công thức điều khiển điện áp thứ cấp được xây dựng với tham chiếu đặc biệt đến một hệ thống điện có SVC và STATCOM. Dựa trên các phương trình trào lưu công suất hệ thống tuyến tính về điểm hoạt động được xác định bằng cách đo điện áp nút, chương trình điều khiển được xây dựng dưới dạng tối ưu hóa ràng buộc với một hàm mục tiêu bậc hai và một tập hợp các ràng buộc tuyến tính có nguồn gốc từ các giới hạn hoạt động công suất phản kháng của các hệ thống bù và máy phát điện. Các biến trong tối ưu hóa là điện áp đặt của các thiết bị SVC, STATCOM và máy phát điện đồng bộ.
Vấn đề công thức được giải quyết bằng phương pháp toàn phương, được thành lập vững chắc và hiệu quả trong việc yêu cầu thời gian tính toán trong bối cảnh ứng dụng trực tuyến. Chương trình được xây dựng, áp dụng đối với bất kỳ thay đổi phụ tải và/hoặc cấu hình hệ thống điện. Nguyen, Student Member, IEEE. Power System Security Restoration by Secondary Control.
Bài báo phát triển một chương trình phối hợp điều khiển dựa trên lập trình tuyến tính để điều khiển thứ cấp trong một hệ thống điện nhằm đáp ứng yêu cầu khôi phục mức an ninh tĩnh 18 của hệ thống có liên quan đến điện áp và dòng công suất, đồng thời giảm thiểu tổn thất của hệ thống điện sau các biến động trên hệ thống điện. Chương trình điều khiển thứ cấp được xây dựng thì tổng quát hơn điều khiển điện áp thứ cấp cổ điển mà trong đó chỉ có liên quan đến điện áp.