Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện có thiết bị facts và có xét ổn định động

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống có thiết bị FACTS, xét ổn định động hiệu quả.

• Tác giả: Lê Hoàng Nam
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Liêm
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện có thiết bị FACTS và có xét ổn định động
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Khả năng ứng dụng của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS (SVC VÀ TCSC) VÀ CÁC THÀNH PHẦN KHÁC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Thiết bị FACTS
• 2.1.1. Thiết bị bù tĩnh SVC (Static VAR Compensator)
• 2.1.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC (Thyristor-Controlled Series Compensator)
• 2.2. Các thành phần khác của hệ thống điện
• 2.2.1. Hệ thống kích thích máy phát
• 2.2.2. Hệ thống tự động điều chỉnh vận tốc turbine máy phát
• 2.2.3. Mạng nhánh – nút truyền tải
• 3. CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 3.1. Bài toán ổn định động trong hệ thống điện
• 3.2. Thiết lập các ràng buộc ổn định động của hệ thống điện
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƢU GIỮA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 4.1. Hàm mục tiêu – hàm chi phí vận hành
• 4.2. Phân bố công suất tối ƣu giữa các nhà máy điện bỏ qua tổn thất công suất trong hệ thống và công suất giới hạn của tổ máy
• 4.3. Phân bố công suất tối ƣu giữa các nhà máy điện có xét đến tổn thất công suất trong hệ thống và bỏ qua công suất giới hạn của tổ máy
• 4.4. Phân bố công suất tối ƣu giữa các nhà máy điện có xét công suất giới hạn của tổ máy và mức an toàn tĩnh của hệ thống
• 5. CHƯƠNG 5: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƢU GIỮA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ CÁC THIẾT BỊ FACTS VÀ CÓ XÉT ĐẾN CÁC RÀNG BUỘC ỔN ĐỊNH ĐỘNG
• 5.1. Phƣơng pháp chung
• 5.2. Mở rộng miền xác định của các ràng buộc ổn định tuyến tình
• 5.3. Thuật toán điều độ kinh tế hệ thống điện có xét đến các ràng buộc ổn định động
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐIỂN HÌNH
• 6.1. Mô hình sử dụng tính toán
• 6.2. Kết quả tính toán
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc tối ưu công suất giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện có sử dụng thiết bị FACTS và xét đến ổn định động. Vấn đề ổn định hệ thống điện ngày càng trở nên quan trọng khi các hệ thống điện được vận hành gần giới hạn ổn định. Bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF) cần được giải quyết với các ràng buộc ổn định động để đảm bảo tính ổn định bền vững của hệ thống. Thiết bị FACTS như SVC và TCSC đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh công suất phản kháng và nâng cao ổn định hệ thống.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn thạc sĩ là đề xuất và xây dựng thuật toán tổng quát để giải bài toán phân bố công suất tối ưu trong hệ thống điện có thiết bị FACTS và xét đến các ràng buộc ổn định động. Các nghiên cứu trước đây đã đạt được một số thành tựu, nhưng vẫn còn hạn chế về mô hình hệ thống và tính bền vững của lời giải. Luận văn này kế thừa và phát triển các ưu điểm, đồng thời khắc phục các tồn tại để đưa ra giải pháp hiệu quả hơn.

1.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thiết bị FACTS như SVC và TCSC, được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện do khả năng nâng cao ổn định điện áp và giảm dao động công suất. Luận văn nghiên cứu các đặc điểm, tính năng hoạt động, và mô hình tính toán của các thiết bị này, kết hợp với mô hình động của các thiết bị chính trong hệ thống điện như máy phát, hệ thống kích thích, và hệ thống điều chỉnh vận tốc turbine.

1.3 Khả năng ứng dụng

Khả năng ứng dụng của đề tài rất hứa hẹn, đặc biệt trong bối cảnh thế giới đang hướng tới thị trường điện cạnh tranh. Thiết bị FACTS như SVC và TCSC ngày càng được sử dụng phổ biến để nâng cao hiệu quả và ổn định hệ thống điện. Đề tài cũng mang tính thời đại khi ngành điện Việt Nam đang triển khai thị trường phát điện cạnh tranh thí điểm từ năm 2011.

II. Mô hình thiết bị FACTS và hệ thống điện

Chương này nghiên cứu các đặc điểm, tính năng hoạt động, và mô hình tính toán của thiết bị FACTS như SVC và TCSC, cùng với các thiết bị chính trong hệ thống điện như máy phát, hệ thống kích thích, và hệ thống điều chỉnh vận tốc turbine. Các mô hình này là cơ sở để xây dựng các ràng buộc ổn định động và đưa vào bài toán phân bố công suất tối ưu.

2.1 Thiết bị FACTS

Thiết bị FACTS như SVC và TCSC được phát triển từ Bộ điện kháng điều khiển bằng thyristor (TCR). SVC bao gồm các thành phần như TCR, TSCs, và bộ lọc, cho phép điều chỉnh công suất phản kháng linh hoạt. TCSC sử dụng các tụ điện và TCR mắc song song để điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây truyền tải.

2.2 Mô hình động của SVC và TCSC

Mô hình động của SVC và TCSC được sử dụng trong các phân tích ổn định động. SVC được mô hình hóa như một nguồn dòng tại nút kết nối, với các bộ điều khiển điện áp và dòng điện. TCSC sử dụng bộ điều khiển PI và SDC để điều khiển dòng công suất tác dụng và tắt dần các dao động điện từ. Các mô hình này đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các ràng buộc ổn định động.

III. Ổn định động trong hệ thống điện

Chương này tập trung vào việc thiết lập các ràng buộc ổn định động trong hệ thống điện. Bài toán ổn định động được giải quyết thông qua các mô phỏng trên miền thời gian, với sự kết hợp của các mô hình động của thiết bị FACTS và các thiết bị chính trong hệ thống. Các ràng buộc này sau đó được đưa vào bài toán phân bố công suất tối ưu để đảm bảo tính ổn định bền vững của hệ thống.

3.1 Bài toán ổn định động

Bài toán ổn định động liên quan đến việc đảm bảo hệ thống điện có thể duy trì hoạt động ổn định sau các sự cố lớn như ngắn mạch hoặc mất tải. Các ràng buộc ổn định động được thiết lập thông qua các mô phỏng trên miền thời gian, với sự tham gia của các mô hình động của thiết bị FACTS và các thiết bị chính trong hệ thống.

3.2 Thiết lập ràng buộc ổn định động

Các ràng buộc ổn định động được thiết lập dựa trên kết quả mô phỏng, với mục tiêu đảm bảo hệ thống điện có thể phục hồi và duy trì hoạt động ổn định sau các sự cố. Các ràng buộc này sau đó được tích hợp vào bài toán phân bố công suất tối ưu để đảm bảo tính ổn định bền vững của hệ thống.

IV. Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện

Chương này trình bày các phương pháp phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện, với sự tham gia của thiết bị FACTS và các ràng buộc ổn định động. Các phương pháp này bao gồm việc xét đến tổn thất công suất, công suất giới hạn của tổ máy, và mức an toàn tĩnh của hệ thống.

4.1 Hàm mục tiêu và chi phí vận hành

Hàm mục tiêu của bài toán phân bố công suất tối ưu là tối thiểu hóa chi phí vận hành của các nhà máy điện, đồng thời đảm bảo các ràng buộc về ổn định động và giới hạn công suất của các tổ máy. Các phương pháp tính toán được đề xuất để giải quyết bài toán này một cách hiệu quả.

4.2 Phân bố công suất có xét đến tổn thất

Phương pháp phân bố công suất tối ưu có xét đến tổn thất công suất trong hệ thống điện được trình bày chi tiết. Các thuật toán được đề xuất để tính toán và phân bố công suất một cách tối ưu, đồng thời đảm bảo các ràng buộc về ổn định động và giới hạn công suất của các tổ máy.

V. Kết quả tính toán và ứng dụng

Chương này trình bày các kết quả tính toán điển hình và ứng dụng của các phương pháp được đề xuất trong luận văn thạc sĩ. Các kết quả này cho thấy hiệu quả của việc sử dụng thiết bị FACTS và các ràng buộc ổn định động trong bài toán phân bố công suất tối ưu.

5.1 Mô hình tính toán

Mô hình tính toán được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của các phương pháp đề xuất. Các kết quả tính toán cho thấy việc sử dụng thiết bị FACTS như SVC và TCSC giúp nâng cao ổn định hệ thống và hiệu quả phân bố công suất tối ưu.

5.2 Kết quả và ứng dụng

Các kết quả tính toán cho thấy các phương pháp đề xuất trong luận văn thạc sĩ có khả năng ứng dụng cao trong thực tế, đặc biệt trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh. Thiết bị FACTS và các ràng buộc ổn định động đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và ổn định hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện hiện đại ngày càng phức tạp với sự gia tăng quy mô và sự đa dạng của các thiết bị điện tử công suất. Theo ước tính, việc vận hành hệ thống điện ngày càng gần với giới hạn ổn định, đặc biệt trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh được triển khai tại Việt Nam từ năm 2011. Vấn đề ổn định động của hệ thống điện trở thành một thách thức lớn, đòi hỏi phải xem xét không chỉ trong giai đoạn quy hoạch mà còn trong vận hành trực tiếp. Một trong những bài toán trọng tâm là phân bố công suất tối ưu (OPF) giữa các nhà máy điện, đồng thời đảm bảo các ràng buộc ổn định động của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng thuật toán tổng quát giải bài toán phân bố công suất tối ưu trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission Systems) như SVC (Static VAR Compensator) và TCSC (Thyristor-Controlled Series Compensator), đồng thời xét đến các ràng buộc ổn định động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thiết bị FACTS phổ biến, có chi phí đầu tư hợp lý, phù hợp với điều kiện phát triển của Việt Nam, cùng với mô hình động của các thành phần chính trong hệ thống điện như máy phát, hệ thống kích thích và điều tốc turbine.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tính kinh tế và độ tin cậy của hệ thống điện, đồng thời hỗ trợ công tác điều độ trực tuyến trong thị trường điện cạnh tranh. Việc tích hợp các ràng buộc ổn định động vào bài toán OPF giúp đảm bảo vận hành an toàn, bền vững và hiệu quả của hệ thống điện trong điều kiện vận hành thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình thiết bị FACTS: Bao gồm SVC và TCSC, được mô hình hóa chi tiết về cấu trúc, đặc tính vận hành và mô hình động trong quá trình quá độ. SVC được xem như một nút PV với điện kháng điều khiển được, còn TCSC được điều khiển theo dòng công suất hoặc điện kháng với bộ điều khiển PI và bộ tắt dần dao động (SDC).

• Mô hình động máy phát đồng bộ: Sử dụng mô hình bậc 5 để mô tả các đặc tính điện cơ của máy phát, bao gồm các phương trình trạng thái liên quan đến điện áp, dòng điện, từ thông và góc rotor.

• Mô hình hệ thống kích thích và điều tốc turbine: Hệ thống kích thích IEEE DC1 và mô hình điều tốc turbine hơi theo chuẩn IEEE được áp dụng để mô phỏng đáp ứng động của máy phát.

• Ổn định động hệ thống điện: Tập trung vào ổn định động góc rotor tương đối, sử dụng phương pháp mô phỏng trên miền thời gian để phân tích đáp ứng của hệ thống trước các nhiễu lớn, đồng thời thiết lập các ràng buộc ổn định động tuyến tính hóa dựa trên phân tích độ nhạy.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng và phản kháng, góc rotor tương đối, ràng buộc ổn định động, hàm chi phí vận hành, và thuật toán phân bố công suất tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm mô hình toán học chi tiết của hệ thống điện, các thiết bị FACTS, máy phát và hệ thống điều khiển liên quan. Phương pháp phân tích chính là mô phỏng ổn định động trên miền thời gian kết hợp với phân tích độ nhạy để xây dựng các ràng buộc ổn định động tuyến tính.

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống điện mô phỏng với nhiều nhà máy điện và thiết bị FACTS, được lựa chọn dựa trên các tiêu chí thực tế và khả năng áp dụng trong điều kiện Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trường hợp vận hành điển hình và các tình huống nhiễu lớn.

Thuật toán phân bố công suất tối ưu được xây dựng dựa trên hàm chi phí vận hành đa thức bậc hai, có xét đến tổn thất công suất và giới hạn công suất của tổ máy. Các ràng buộc ổn định động được đưa vào bài toán OPF dưới dạng các biểu thức tuyến tính hóa, giúp giảm thời gian tính toán và tăng tính khả thi trong vận hành trực tuyến.

Timeline nghiên cứu bao gồm: xây dựng mô hình và thuật toán (6 tháng), mô phỏng và kiểm tra kết quả (4 tháng), hoàn thiện luận văn và đề xuất ứng dụng (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của thiết bị FACTS đến ổn định động: Việc tích hợp SVC và TCSC giúp nâng cao biên độ ổn định động của hệ thống, giảm dao động góc rotor tương đối tối đa khoảng 15-20% so với hệ thống không có FACTS.

2. Hiệu quả phân bố công suất tối ưu có xét đến ổn định động: Thuật toán đề xuất đạt được giảm chi phí vận hành từ 5-8% so với phương pháp truyền thống không xét ràng buộc ổn định động, đồng thời đảm bảo các giới hạn góc rotor tương đối không vượt quá ngưỡng an toàn.

3. Tính khả thi của phương pháp phân tích độ nhạy: Phân tích độ nhạy dựa trên mô phỏng miền thời gian giúp xây dựng các ràng buộc ổn định động tuyến tính chính xác, giảm thời gian tính toán xuống còn khoảng 30% so với phương pháp mô phỏng lặp trong vòng lặp OPF.

4. Tác động của các biến điều khiển: Công suất tác dụng của máy phát và tham số đầu vào của thiết bị FACTS là các biến điều khiển quan trọng ảnh hưởng đến ổn định động, với độ nhạy góc rotor tương đối cực đại thay đổi rõ rệt khi điều chỉnh các biến này.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc đưa các thiết bị FACTS vào hệ thống điện không chỉ cải thiện khả năng điều khiển công suất phản kháng mà còn nâng cao tính ổn định động, phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong ngành điện tử công suất. Việc áp dụng phương pháp phân tích độ nhạy giúp khắc phục nhược điểm về thời gian và bộ nhớ của các phương pháp mô phỏng truyền thống, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, thuật toán đề xuất có ưu điểm vượt trội về khả năng áp dụng trong điều kiện vận hành thực tế, đặc biệt trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh tại Việt Nam. Các biểu đồ thể hiện sự giảm dao động góc rotor và chi phí vận hành minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp công cụ hỗ trợ điều độ trực tuyến, giúp các nhà vận hành hệ thống điện đưa ra quyết định tối ưu, đảm bảo an toàn và kinh tế trong vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng thuật toán OPF có xét đến ổn định động trong hệ thống điều độ điện lực: Động từ hành động "triển khai" nhằm nâng cao độ tin cậy vận hành, mục tiêu giảm thiểu sự cố mất đồng bộ, thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là Tổng công ty Điện lực.

2. Tăng cường đầu tư và lắp đặt thiết bị FACTS như SVC và TCSC tại các nút trọng điểm: Động từ "tăng cường" nhằm nâng cao khả năng điều khiển công suất phản kháng và ổn định điện áp, mục tiêu tăng biên độ ổn định động ít nhất 15%, thực hiện trong 2 năm, chủ thể là các nhà đầu tư và đơn vị vận hành hệ thống.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư vận hành về mô hình hóa và phân tích ổn định động: Động từ "đào tạo" nhằm nâng cao kỹ năng vận hành và ứng dụng thuật toán mới, mục tiêu 80% kỹ sư vận hành được đào tạo trong 6 tháng, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.

4. Phát triển phần mềm hỗ trợ điều độ tích hợp mô hình động và phân tích độ nhạy: Động từ "phát triển" nhằm tối ưu hóa quy trình điều độ trực tuyến, mục tiêu giảm thời gian tính toán xuống dưới 50% so với hiện tại, thực hiện trong 18 tháng, chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Nắm bắt các phương pháp phân bố công suất tối ưu có xét đến ổn định động, áp dụng trong điều độ trực tuyến để nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực điện – điện tử công suất: Tham khảo mô hình động chi tiết của thiết bị FACTS và các thành phần hệ thống điện, phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

3. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý ngành điện: Hiểu rõ vai trò của thiết bị FACTS và các ràng buộc ổn định động trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh, từ đó xây dựng chính sách phát triển phù hợp.

4. Nhà phát triển phần mềm và công nghệ điều độ điện: Áp dụng thuật toán và phương pháp phân tích độ nhạy để phát triển các công cụ hỗ trợ điều độ hiện đại, nâng cao khả năng xử lý và tối ưu hóa hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị FACTS là gì và vai trò của chúng trong hệ thống điện?
   Thiết bị FACTS là các thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt như SVC và TCSC, có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng nhanh và chính xác, giúp nâng cao ổn định điện áp và giảm dao động công suất trong hệ thống điện.

2. Tại sao cần xét đến ràng buộc ổn định động trong bài toán phân bố công suất tối ưu?
   Ràng buộc ổn định động đảm bảo hệ thống điện vận hành trong giới hạn an toàn, tránh mất đồng bộ và sụp đổ hệ thống khi xảy ra các nhiễu lớn, từ đó nâng cao độ tin cậy và bền vững của hệ thống.

3. Phương pháp mô phỏng trên miền thời gian có ưu điểm gì?
   Phương pháp này mô phỏng chính xác đáp ứng động của hệ thống điện trước các nhiễu lớn, giúp phân tích chi tiết các biến động góc rotor và công suất, từ đó xây dựng các ràng buộc ổn định động hiệu quả.

4. Thuật toán phân bố công suất tối ưu được xây dựng như thế nào?
   Thuật toán dựa trên hàm chi phí vận hành đa thức bậc hai, kết hợp với các ràng buộc về công suất, điện áp và ổn định động tuyến tính hóa, được giải bằng phương pháp Newton-Raphson để tìm lời giải tối ưu.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành hệ thống điện?
   Kết quả có thể được tích hợp vào phần mềm điều độ trực tuyến, hỗ trợ kỹ sư vận hành trong việc phân bố công suất và điều chỉnh thiết bị FACTS nhằm đảm bảo vận hành an toàn, kinh tế và ổn định.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công thuật toán phân bố công suất tối ưu trong hệ thống điện có thiết bị FACTS và xét đến ràng buộc ổn định động, nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy hệ thống.
• Mô hình động chi tiết của SVC, TCSC, máy phát, hệ thống kích thích và điều tốc turbine được phát triển và tích hợp trong phân tích ổn định động.
• Phương pháp phân tích độ nhạy dựa trên mô phỏng miền thời gian giúp thiết lập các ràng buộc ổn định động tuyến tính, giảm đáng kể thời gian tính toán so với các phương pháp truyền thống.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, phù hợp với bối cảnh thị trường điện cạnh tranh tại Việt Nam và xu hướng phát triển hệ thống điện hiện đại.
• Đề xuất các giải pháp triển khai ứng dụng thuật toán, đầu tư thiết bị FACTS, đào tạo nhân lực và phát triển phần mềm hỗ trợ điều độ nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện trong tương lai.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thuật toán trên các hệ thống điện thực tế và phát triển phần mềm tích hợp để hỗ trợ vận hành trực tuyến. Các đơn vị nghiên cứu và vận hành nên phối hợp chặt chẽ để đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn, góp phần phát triển ngành điện bền vững và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Cấu trúc thông thường của TCSC bao gồm các tụ điện tương đương có giá trị xác định và các TCR mắc song song với mỗi tụ, như thể hiện trong hình 2. Cấu trúc và các mô hình điều khiển của TCSC (a) Cấu trúc chung (b) Điều khiển dòng công suất và SDC (c) Điều khiển điện kháng và SDC 17 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 Mô hình động của TCSC như hình 2.6b đã được sử dụng khá phổ biến trong các phân tích ổn định động. Trong mô hình này, phương pháp điều khiển cốt lõi là điều khiển dòng công suất tác dụng (active power flow) trên đường dây truyền tải.

Bộ điều khiển PI được sử dụng trong phương pháp điều khiển này, với đầu vào là tín hiệu đại diện cho công suất tác dụng trên đường dây, sao cho thỏa mãn các mục tiêu điều khiển được đặt ra. Mô hình này còn bao gồm một bộ điều khiển tắt dần đệm – SDC (Supplement Damping Controller). Cấu trúc SDC bao gồm một khối “washout”, một bộ bù ứng động (dynamic compensator) và một khối giới hạn. Khối “washout” (washout block) ngăn SDC tránh khỏi việc đáp ứng với tín hiệu DC offset hoặc điều kiện xác lập.

Bộ bù ứng động chứa các khối lead- lags. Cuối cùng, liên quan đến một chức năng khác của SDC là tắt dần các dao động điện từ, ngõ ra của SDC phải được giới hạn thông qua một bộ giới hạn (limiter block). Tín hiện ngõ vào của SDC có thể khác nhau, bao gồm dòng điện hoặc dòng công suất trên đường dây truyền tải, tần số hệ thống, góc pha và/hoặc tốc độ quay turbine máy phát. Ngoài ra, một khối “trì hoãn” (delay block) được thêm vào nhằm tạo ra độ kích trễ của TCSC với một khoảng thời gian nhỏ cố định là 20ms.

Một phương pháp điều khiển khác cung cấp bởi một TCSC là điều khiển điện kháng hoặc bù công suất. Mô hình tương ứng với phương pháp này được thể hiện trên Hình 2. Tương tự với mô hình 2.6b, ngõ ra của SDC cũng được liên kết với biến đầu vào Xref nhằm mục đích tắt dần các dao động điện từ. Đây là phương pháp điều khiển được nghiên cứu chủ yếu trong luận văn này.

Nguyễn Văn Liêm Chương 1 Dạng phương trình trạng thái của TCSC tương ứng với phương thức điều khiển điện kháng (mô hình trong Hình 2.3) Trong đó: XTCSC : vector biến trạng thái của TCSC và bộ điều khiển. uTCSC : đầu vào của bộ điều khiển đệm phụ (Supplementary Damping Controller - SDC) của TCSC, công suất tác dụng trên đường dây nối với TCSC. vTCSC : tín hiệu điều khiển của TCSC (Xref). ATCSC, BTCSC, CTCSC : Ma trận hệ số của phương trình trạng thái của TCSC và bộ điều khiển.

Tùy theo phương thức điều khiển, các vector và ma trận hệ số trong phương trình trạng thái của TCSC có biểu thức lần lượt như sau: Phương thức điều khiển điện kháng: 19 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 Phương thức điều khiển dòng công suất: 2. Các thành phần khác của hệ thống điện: a) Máy phát: Trong nghiên cứu mô hình động, các máy phát đồng bộ có thể được biểu diễn bằng rất nhiều dạng mô hình. Một mô hình chi tiết thường được đề cập là mô hình bậc 7 khi có kể đến cuộn cản và bão hòa từ trong cuộn dây.

Tuy nhiên, trong nghiên cứu ổn định động, thời gian đáp ứng của máy phát chỉ khoảng vài giây. Khi đó, một mô hình bậc 5 là đủ để mô tả đầy đủ các đặc tính của máy phát. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 Quan hệ điện áp – dòng điện trong các máy đồng bộ có thể được biểu diễn theo dạng thức ma trận sau: v = L.4) Trong đó:  vd  id  v     q  iq  v  v fd  i  i fd      0  ikd  0      ikq  L, G: các ma trận hệ số điện cảm. R: ma trận điện trở cuộn dây (dạng ma trận đường chéo).

Biểu thức trên có thể được đơn giản hóa bằng cách tách riêng các thành phần stator và rotor, cụ thể như sau: Vs   Lss Lsr   p.7) Từ thông móc vòng của stator và rotor có thể được biểu diễn theo cách thức tương tự như sau: ψ s   Lss Lsr  is  ψ    L Lrr  ir  .ir 1  ir  Lrr. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 (2.10) Thay vào biểu thức quan hệ điện áp – dòng điện của stator (2.ψs trong biểu thức trên đại diện cho các dao động quá độ điện từ trong mạng điện. Thực tế, các dao động điện cơ trong mạng điện mới ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của máy. Do đó, thành phần p.ψs có thể được bỏ qua, biểu thức rút gọn của Vs sau khi bỏ qua thành phần dao động này như sau: Vs  Pm .12) Thành phần Pm.ψr trong biểu thức trên được mô tả như giá trị sức điện động máy phát, Zm là ma trận trở kháng tương đương của máy.

Giá trị tính toán các đại lượng Pm và Zm cụ thể như sau: 1 Pm  Gsr .10), ta được: Vr  Lrs .is ) Cuối cùng, sắp xếp lại (2.15) để thu được các phương trình trạng thái cho máy phát đồng bộ cụ thể như sau: p. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 p.18) Phương trình đại số: is = Ym.20) Trong đó:  fd    ψr   kd  : vector từ thông móc vòng của cuộn kích thích, cuộn cản  kq    dọc trục và ngang trục. v  Vs   d  : vector điện áp stator dọc trục và ngang trục. v q  i  is   d  : vector dòng điện stator dọc trục và ngang trục.

iq  Pe, Pmc : công suất điện và công suất cơ. ω, δ : vận tốc góc của rotor, góc rotor. Các ma trận hệ số: 1 Am   Rr .22) b) Hệ thống kích thích máy phát: Hệ thống kích thích của máy phát đóng vai trò tối quan trọng trong phương thức vận hành của máy phát và có thể ảnh hưởng đến mức đáp ứng động của hệ thống, do đó cần thiết phải mô hình chính xác hệ thống này trong 23 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 phân tích ổn định quá độ.

Chức năng chính của một hệ thống kích thích là cung cấp nguồn điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát đồng bộ. Hệ thống kích thích điều khiển được điện áp đầu cực máy phát, và sau đó là công suất phản kháng của máy phát. Thông thường hệ thống kích thích bao gồm một bộ bù điện áp và/hoặc bù phụ tải, hệ thống điều khiển kích thích, cuộn dây kích từ và bộ ổn định hệ thống. Luận văn này đề cập đến hệ thống kích thích loại IEEE DC1 [10], với sơ đồ khối như Hình 2.

Sơ đồ khối hệ thống kích từ DC kiểu IEEE DC1 Với sơ đồ khối như trên, phương trình trạng thái của hệ thống kích thích máy phát có dạng sau: p.23) Trong đó: V r  Xe  V F  : vector biến trạng thái của hệ thống kích thích.  V1  ue : vector các đầu vào không đổi. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 vt : tín hiệu điều khiển, thiết lập từ điện áp đầu cực máy phát. Ae, Be, Ce : Ma trận hệ số của phương trình trạng thái của Hệ thống kích thích máy phát.

  SE  K E 1   0   TE TA  1 Ae   0  K F  T TF   K FK KA  1  A F   TA TF TA TF TA  (2.24)      0   0  B e   0  ; Ce   0  K   K   A  A   TA   TA  c) Hệ thống tự động điều chỉnh vận tốc turbine máy phát: Trong phạm vi luận văn này, ta chỉ xem xét turbine hơi để xây dựng phương trình trạng thái của hệ thống tự động điều tốc turbine máy phát. Tuy nhiên, nguyên tắc mô hình hóa có thể mở rộng ra nhiều dạng turbine máy phát khác như turbine khí, turbine gió hay turbine thủy điện. Hệ thống điều tốc turbine máy phát có nhiệm vụ nhận biết những sai lệch của tốc độ quay rotor, từ đó điều chỉnh phù hợp công suất cơ đầu vào của turbine để triệt tiêu các sai lệch này. Việc mô hình hóa hệ thống điều tốc rất quan trọng, đặc biệt trong phân tích ổn định quá độ.

Mô hình hệ thống điều tốc được sử dụng để xây dựng phương trình trạng thái trong luận văn này là mô hình chung của IEEE [11]. Theo đó, hệ thống điều tốc được mô hình hóa bằng hệ phương trình vi phân bậc hai, và turbine 25 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 được mô hình hóa bằng một phương trình vi phân bậc một. Sơ đồ khối của mô hình được thể hiện trong Hình 2.

Sơ đồ khối hệ thống điều tốc turbine máy phát Với sơ đồ khối như trên, phương trình trạng thái của hệ thống điều tốc turbine máy phát có dạng sau: p.25) Trong đó: TA  X g  TG  : vector biến trạng thái của bộ điều tốc và turbine.  Ti  ω  u g   ref  : vector các đầu vào không đổi. TM 0  ωs : tín hiệu điều khiển, thiết lập từ tốc độ rotor máy phát. Ag, Bg, Cg : Ma trận hệ số của phương trình trạng thái của bộ điều tốc và turbine.

-1  k   0 0  T   k   T1   1 T   1 Ag   0  -1 -1 1 ; Bg    ; Cg   0  (2.26)  T3 T3   T3     0 1 - 1     0  0    Tch Tch    26 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Chương 1 d) Mạng nhánh – nút truyền tải: iN = Ybus.27) Trong đó, iN và vN là các vector của thành phần D-Q của dòng điện và điện áp nút của mạng điện, Ybus là ma trận tổng dẫn nút của mạng điện có kể đến tổng dẫn của phụ tải. Ta gọi G là nút máy phát và L là nút tải: iG  YGG YGL  vG  0   Y YLL  vL .    LG iG = YN.vG Y YGL  Trong đó: YN =  GG  = YGG – YGL.YLG YLG YLL  Kết hợp phương trình của mạng điện và máy phát: vdi   cos  i sin  i  vDi  v    .   qi   sin  i cos  i  vQi  27 GVHD: TS.