Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan thiết bị FACTS Chương 3: Ổn định động trong hệ thống điện Chương 4: Tối ưu hóa phân bố công suất (OPF) Chương 5: Bài toán TSC-OPF có thiết bị FACTS và kết quả mô phỏng Chương 6: Kết Luận Tài Liệu Tham Khảo 5 GVHD: TS. Dương Thanh Long Chương 2 TỔNG QUAN THIẾT BỊ FACTS 2.1 Giới thiệu Ngành cung cấp điện đang trải qua một sự chuyển đổi sâu sắc trên toàn thế giới. Các thị trường điện, nguồn tài nguyên thiên nhiên khan hiếm và nhu cầu điện ngày càng tăng là một số trong số tác nhân gây nên sự thay đổi chưa từng có này. Để ngăn quá trình phát triển nhanh chóng này, các chương trình mở rộng đang bị cản trở bởi một loạt các áp lực về xây dựng, môi trường, quy định về cấp phép, sử dụng đất, xây dựng các đường dây và các nhà máy phát điện mới.
Một phân tích chuyên sâu về các lựa chọn sẵn có để tối đa khả năng truyền tải của các thiết bị hiện có với độ ổn định và tin cậy cao là một hướng đi thực tế trong hệ thống điện. Có một đề nghị chung là sử dụng các thiết bị và kỹ thuật mới để thay thế các giải pháp thông thường, thường sử dụng các thiết bị cơ điện có độ đáp ứng chậm và chi phí bảo trì cao (Hingorani and Gyugyi, 2000; Song and Johns, 1999). Một hệ thống điện được xem như là sự kết nối giữa nguồn và tải thông qua mạng lưới đường dây truyền tải, máy biến áp và các thiết bị phụ trợ. Cấu trúc của nó có nhiều sự thay đổi và là kết quả của các quyết định về kinh tế, chính trị, kỹ thuật và môi trường.
Dựa trên cấu trúc của chúng, các hệ thống điện thường được phân loại thành hệ thống mạch vòng và phân nhánh. Các hệ thống mạch vòng thường được tìm thấy ở những nơi có mật độ dân số cao và có thể xây dựng các nhà máy điện ở gần trung tâm phụ tải. Hệ thống phân nhánh thường được tìm thấy ở các vùng có lượng điện lớn phải được truyền qua khoảng cách dài từ các nhà máy phát điện đến trung tâm tải. Không phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống điện, dòng công suất chạy trong mạng điện được phân bố rộng rãi như sự vận chuyển trở kháng đường dây; một đường dây truyền tải với trở kháng thấp cho phép dòng công suất lớn hơn qua nó hơn là một đường dây truyền tải với trở kháng cao.
Đây không phải là kết quả mong muốn nhất bởi vì nó thường gây ra vô số các vấn đề về vận hành; công việc của nhà điều hành hệ thống là can thiệp để cố gắng đạt được phân phối lại lưu lượng điện, nhưng với sự thành công hạn chế. Ví dụ, về các lỗi khi vận hành dòng công suất tác dụng và công 6 GVHD: TS. Dương Thanh Long suất phản pháng không kiểm soát có thể tăng là: mất ổn định hệ thống, các vòng lặp luồng công suất, tổn thất truyền dẫn cao, vi phạm giới hạn điện áp, không có khả năng sử dụng dung lượng đường truyền dẫn đến giới hạn nhiệt và bậc đóng cắt. Về lâu dài, những vấn đề như vậy thường được giải quyết bằng cách xây dựng các nhà máy điện và đường dây truyền tải mới, đây là giải pháp tốn kém, đòi hỏi phải có thời gian xây dựng dài và sự phản đối từ các nhóm khác nhau.
Dự kiến một giải pháp mới cho các vấn đề vận hành như vậy sẽ dựa vào việc nâng cấp các hành lang truyền tải hiện tại bằng cách sử dụng các phương pháp và thiết bị điện tử mới nhất, một ý tưởng mới về công nghệ với tên chung là FACTS - viết tắt của “Flexible Alternating Current Transmission Systems”.2 FACTS Trong khái niệm chung nhất, khái niệm FACTS dựa trên sự kết hợp của thiết bị điện tử và phương pháp bên trong phía cao thế của mạng điện, để có thể điều khiển bằng điện tử (IEEE / CIGRE, 1995). Nhiều ý tưởng về nền tảng của FACTS đã được phát triển trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, FACTS là một khái niệm mới được đưa ra thành công trong những năm 1980 tại Viện Nghiên cứu Điện năng (EPRI) (Hingorani và Gyugyi, 2000). FACTS tận dụng những bước đột phá trong lĩnh vực thiết bị điện tử công suất, nhằm tăng cường khả năng điều khiển phân bố công suất phía cao thế của mạng trong cả điều kiện ổn định tĩnh và quá độ.
Thực tế mới của việc tạo ra mạng lưới điều khiển bằng điện tử đã bắt đầu làm thay đổi cách mà thiết bị nhà máy điện được thiết kế và xây dựng cũng như những suy nghĩ và các thủ tục để quy hoạch và hoạt động của mạng lưới truyền tải và phân phối. Sự phát triển này cũng ảnh hưởng đến truyền tải công suất một cách linh động và nhanh chóng. Sở hữu những lợi ích kinh tế và kỹ thuật hứa hẹn, FACTS đã nhận được sự hỗ trợ của các nhà sản xuất thiết bị điện và các tổ chức nghiên cứu trên khắp thế giới (Song and Johns, 1999). Rất nhiều loại của thiết bị FACTS đã được kiểm tra ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới.
Phổ biến nhất là: bộ điều chỉnh điện áp, bộ điều chỉnh góc pha, bộ bù VAR 7 GVHD: TS. Dương Thanh Long tĩnh, các bộ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor, các bộ điều khiển công suất liên động, bộ bù tĩnh và các bộ điều khiển dòng công suất thống nhất. Nó đã được công nhận khá sớm trên chương trình phát triển công nghệ FACTS, để xác định hiệu quả của các bộ điều khiển trên toàn bộ lưới chuẩn, yêu cầu sẽ cần nâng cấp hầu hết các công cụ phân tích hệ thống với kế hoạch và vận hành hệ thống. Một số công cụ nhận được sự quan tâm nghiên cứu ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn, đã đạt đến mức độ chính xác cao về mô hình như: Phân bố công suất Tối ưu hóa phân bố công suất Ổn định quá độ Ổn định động Từ trường quá độ Chất lượng điện năng Ba khu vực áp dụng đầu tiên, được định nghĩa rõ ràng trong phạm vi vận hành ổn định, được đề cập.
Có rất nhiều phát triển trong việc nghiên cứu mô hình hoá và mô phỏng các bộ điều khiển FACTS để đảm bảo ổn định quá độ và ổn định động, quá độ điện từ và chất lượng điện năng nhưng các công cụ mô phỏng cần thiết để tiến hành nghiên cứu trong các lĩnh vực ứng dụng như vậy không thực sự phù hợp để tiến hành phân tích ổn định tĩnh, và chúng không được đề cập trong nghiên cứu này.1 Giới hạn riêng của hệ thống truyền tải Các đặc tính của hệ thống điện thay đổi theo thời gian, như thêm tải và các tải phát sinh được thêm vào. Nếu các thành phần truyền tải không được nâng cấp đủ hệ thống điện sẽ trở nên dễ bị tổn thương bởi các vấn đề về ổn định tĩnh và ổn định động khi biên độ ổn định ngày càng trở nên hẹp hơn. Khả năng truyền tải của hệ thống sẽ bị suy giảm bởi một hoặc nhiều giới hạn ổn định tĩnh và động dưới đây: Ổn định góc pha Độ lớn điện áp Giới hạn nhiệt độ 8 GVHD: TS. Dương Thanh Long Ổn định quá độ Ổn định động Các giới hạn này xác định công suất điện tối đa được truyền mà không gây hư hỏng cho đường dây truyền tải và thiết bị điện.
Về nguyên tắc các giới hạn về truyền tải điện luôn luôn được luân phiên bằng cách bổ sung các đơn vị phát và truyền tải mới. Một cách khác, thêm vào thiết bị điều khiển FACTS có thể đạt được các mục tiêu tương tự nhưng không làm thay đổi cách bố trí của hệ thống lớn. Các lợi ích tiềm năng do bộ điều khiển FACTS mang lại bao gồm giảm chi phí vận hành và chi phí đầu tư cho hệ thống truyền tải, tăng tính an toàn và độ tin cậy của hệ thống, tăng khả năng truyền tải điện và nâng cao chất lượng điện năng đến khách hàng.2 Bộ điều khiển FACTS Điều khiển phân bố công suất truyền thống dựa vào điều khiển máy phát điện, điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp và máy biến áp chuyển pha, và bộ bù công suất phản kháng tại chỗ. Biến áp chuyển pha được sử dụng cho mục đích điều chỉnh công suất vận hành trong các mạng truyền tải điện xoay chiều (AC).
Trong thực tế, một số được vận hành vĩnh viễn với các góc cố định, nhưng trong nhiều trường hợp các thiết bị thay đổi giá trị vận hành của chúng thực sự được sử dụng. Cuộn kháng nối tiếp được sử dụng để giảm công suất phân bố và cấp ngắn mạch tại các vị trí được chỉ định của mạng. Ngược lại, các tụ điện nối tiếp được sử dụng để rút ngắn độ dài dây dẫn điện, do đó tăng công suất phân bố. Nói chung, bộ chuyển đổi bù nối tiếp được on hay off tùy thuộc vào điều kiện điện áp và tải.
Ví dụ, trong các hệ thống điện, bù điện kháng nối tiếp được bỏ qua trong thời gian mang tải tối thiểu để tránh sự quá áp của đường dây truyền tải do các ảnh hưởng điện dung quá mức trong hệ thống. Ngược lại, bù nối tiếp được sử dụng hoàn toàn trong thời gian tải tối đa, nhằm mục đích tăng cường truyền tải điện năng mà không gây quá tải. Cho đến gần đây, các giải pháp này đã phục vụ tốt nhu cầu của ngành cung cấp điện. Tuy nhiên, việc bãi bỏ quy định của ngành công nghiệp và những khó khăn trong việc đảm bảo "khai thác đường dây" mới đã tạo động lực cho việc áp dụng các 9 GVHD: TS.
Dương Thanh Long phát triển công nghệ mới cấp tiến, dựa trên bộ điều khiển cao áp (Hingorani và Gyugyi, 2000). Một vài năm trước đây, với sự cộng tác của các nhà máy và các tổ chức nghiên cứu, ngành công nghiệp cung cấp bắt tay vào một chương trình đầy tham vọng để phát triển một thế hệ mới các nhà máy cung cấp điện cơ bản (Song and Johns, 1999). Tác động của sự phát triển, đã có những bước đột phá trong cả ba lĩnh vực kinh tế, cụ thể là nguồn phát, truyền tải và phân phối. Sự phát triển sớm của công nghệ FACTS là trong các phiên bản của các máy biến đổi pha và đầu lấy điện của máy biến áp.
Những bộ điều khiển này cùng với bộ bù điện tử nối tiếp có thể được coi là thuộc thế hệ đầu tiên của thiết bị FACTS. Bộ điều khiển phân bố công suất thống nhất, bộ bù tĩnh, và bộ điều khiển công suất giữa các pha phát triển hơn trong thời gian gần đây.