Nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện sử dụng thiết bị SVeC

• Tác giả: Huỳnh Hoàng Huynh
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Nâng Cao Ổn Định Dao Động Công Suất Trong Hệ Thống Điện Sử Dụng Thiết Bị SVeC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI. PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. TỔNG QUAN THIẾT BỊ FACTS VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS. CÔNG NGHỆ FACTS. LÝ THUYẾT VỀ FACTS. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ FACTS. ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. BỘ BÙ CÔNG SUẤT VAR TĨNH – SVC. BỘ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH – STATCOM. BỘ BÙ NỐI TIẾP ĐỒNG BỘ TĨNH – SSSC. BỘ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR – TCSC. BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG CÔNG SUẤT HỢP NHẤT – UPFC
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON MỜ (ANFIS). TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ. CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ. TỔNG QUAN VỀ MẠNG NƠRON. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG NƠRON NHÂN TẠO. CẤU TRÚC MẠNG NƠRON NHÂN TẠO. MÔ HÌNH NƠRON. CẤU TRÚC MẠNG. SỰ KẾT HỢP GIỮA MẠNG NƠRON VÀ LOGIC MỜ. VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN. SỰ KẾT HỢP GIỮA MẠNG NƠRON VÀ LOGIC MỜ. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG NƠRON MỜ TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI. SO SÁNH ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRAO LƯU CÔNG SUẤT TRONG VIỆC BÙ NỐI TIẾP SỬ DỤNG BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-LINK & AC-LINK
• 4. CHƯƠNG 4: BÙ NỐI TIẾP. CÁC BỘ BÙ ĐIỂN HÌNH. BỘ BÙ NỐI TIẾP DC-LINK. BỘ BÙ NỐI TIẾP AC-LINK. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG. ĐÁNH GIÁ THỰC HIỆN KẾT QUẢ BAN ĐẦU. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG. CÁC CÂN NHẮC VỀ THIẾT KẾ. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ĐỘNG. MÔ HÌNH ĐỘNG. CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN. VỀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN. ĐÁP ỨNG THAY ĐỔI CÔNG SUẤT. ĐÁP ỨNG KHI SỰ CỐ. TÍNH NĂNG ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ANFIS CHO SVEC ĐỂ ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 5. CHƯƠNG 5: CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU. MÔ HÌNH THIẾT BỊ SVeC. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CỐ NGẮN MẠCH TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN. TIÊU CHÍ ĐIỆN ÁP THEO QUI ĐỊNH CỦA BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆT NAM. DÒNG NGẮN MẠCH VÀ THỜI GIAN LOẠI TRỪ NGẮN MẠCH THEO QUI ĐỊNH CỦA BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆT NAM. MÔ PHỎNG THIẾT BỊ SVeC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ANFIS TRÊN MATLAB. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất

Nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện. Đặc biệt, việc sử dụng thiết bị SVeC đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện. Hệ thống điện hiện đại ngày càng phức tạp, với nhiều nguồn phát điện khác nhau, do đó, việc duy trì ổn định công suất là một thách thức lớn. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

1.1. Tầm quan trọng của ổn định dao động công suất

Ổn định dao động công suất là yếu tố quyết định trong việc duy trì hoạt động liên tục của hệ thống điện. Khi có sự cố xảy ra, nếu không có biện pháp ổn định kịp thời, hệ thống có thể gặp phải tình trạng mất điện hoặc hư hỏng thiết bị. Việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới như SVeC giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các biến động.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định dao động công suất

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến ổn định dao động công suất trong hệ thống điện, bao gồm: cấu trúc hệ thống, loại thiết bị sử dụng, và điều kiện vận hành. Việc phân tích các yếu tố này giúp xác định các giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

II. Vấn đề và thách thức trong ổn định dao động công suất

Hệ thống điện hiện nay đối mặt với nhiều thách thức trong việc duy trì ổn định dao động công suất. Sự gia tăng nhu cầu điện năng, sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo, và các yếu tố môi trường đều có thể gây ra dao động công suất. Những thách thức này đòi hỏi các giải pháp công nghệ tiên tiến để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống điện.

2.1. Tác động của nguồn năng lượng tái tạo

Nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời có tính không ổn định cao, điều này có thể gây ra dao động công suất lớn trong hệ thống điện. Việc tích hợp các nguồn này vào hệ thống đòi hỏi các giải pháp điều khiển hiệu quả để duy trì ổn định.

2.2. Các sự cố trong hệ thống điện

Các sự cố như ngắn mạch, mất điện đột ngột có thể gây ra dao động công suất nghiêm trọng. Việc phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

III. Phương pháp nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất

Để nâng cao ổn định dao động công suất, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Trong đó, việc sử dụng thiết bị SVeC kết hợp với các bộ điều khiển thông minh như ANFIS đã cho thấy hiệu quả rõ rệt. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ ổn định mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.

3.1. Thiết bị SVeC và nguyên lý hoạt động

Thiết bị SVeC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển điện áp và dòng điện, giúp điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện. Việc sử dụng thiết bị này cho phép cải thiện khả năng ổn định của hệ thống trong các tình huống khẩn cấp.

3.2. Bộ điều khiển ANFIS trong nghiên cứu

Bộ điều khiển ANFIS (Adaptive Neural Fuzzy Inference System) được áp dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển của thiết bị SVeC. ANFIS giúp cải thiện khả năng dự đoán và điều chỉnh công suất, từ đó nâng cao độ ổn định cho hệ thống điện.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu về việc nâng cao ổn định dao động công suất đã được áp dụng trong nhiều dự án thực tiễn. Kết quả cho thấy việc sử dụng thiết bị SVeC kết hợp với bộ điều khiển ANFIS đã mang lại những cải thiện đáng kể về độ ổn định và hiệu suất của hệ thống điện. Các mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này.

4.1. Kết quả mô phỏng với thiết bị SVeC

Các mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab cho thấy thiết bị SVeC có khả năng cải thiện độ ổn định của hệ thống điện trong các tình huống khẩn cấp. Kết quả này khẳng định tính hiệu quả của thiết bị trong việc điều chỉnh công suất.

4.2. Ứng dụng trong các dự án thực tế

Nhiều dự án điện lớn đã áp dụng công nghệ SVeC và bộ điều khiển ANFIS, cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc duy trì ổn định công suất. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu rủi ro cho hệ thống điện.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện sử dụng thiết bị SVeC đã mở ra nhiều triển vọng mới cho ngành điện. Các kết quả đạt được cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của hệ thống điện.

5.1. Tầm nhìn tương lai cho hệ thống điện

Hệ thống điện trong tương lai sẽ cần phải tích hợp nhiều công nghệ mới để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả. Việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị như SVeC sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được mục tiêu này.

5.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các giải pháp công nghệ mới, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển thông minh và tự động hóa. Những nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao khả năng ổn định và hiệu suất của hệ thống điện trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và công nghiệp hóa hiện nay, nhu cầu tiêu thụ điện năng tại Việt Nam tăng trưởng nhanh chóng, đòi hỏi hệ thống điện phải vận hành ổn định và hiệu quả. Theo ước tính, sự gia tăng công suất các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, phong điện và tuabin khí đốt đã làm phức tạp hóa việc đồng bộ và ổn định của hệ thống điện. Đặc biệt, dao động công suất trong hệ thống điện truyền tải có thể gây ra các sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nâng cao ổn định dao động công suất trong hệ thống điện sử dụng thiết bị bù vectơ nối tiếp SVeC (Series Vectorial Compensator), kết hợp với bộ điều khiển giảm dao động công suất (POD) dựa trên phương pháp mờ thích nghi ANFIS (Adaptive Neural Fuzzy Inference System). Nghiên cứu tập trung vào hệ thống máy phát điện đồng bộ nối với bus vô hạn (OMIB) và trang trại gió, mô phỏng trên phần mềm Matlab trong giai đoạn từ tháng 10/2016 đến tháng 4/2017 tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện độ ổn định động của hệ thống điện, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và khả năng vận hành an toàn, ổn định cho hệ thống truyền tải 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: công nghệ thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission Systems) và hệ thống điều khiển thông minh ANFIS. FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha trên đường dây truyền tải, từ đó nâng cao khả năng truyền tải và ổn định hệ thống. Trong đó, thiết bị SVeC là một dạng bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh, cho phép điều khiển điện áp và công suất truyền tải một cách chính xác và nhanh nhạy. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), điểm kết nối chung (PCC), bộ điều khiển giảm dao động công suất (POD), và các thiết bị FACTS như SVC, STATCOM, TCSC, UPFC.

Hệ thống điều khiển ANFIS kết hợp mạng nơron nhân tạo và logic mờ, tận dụng khả năng học và tối ưu hóa của mạng nơron cùng sự linh hoạt và khả năng mô hình hóa phi tuyến của logic mờ. Các khái niệm chính trong ANFIS gồm: mờ hóa, luật điều khiển mờ if-then, suy diễn mờ, giải mờ (rõ hoá) với các phương pháp như điểm trọng tâm, cực đại, và các luật hợp thành Max-min, Max-prod, Sum-min, Sum-prod.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô hình hệ thống điện OMIB kết nối với trang trại gió, mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống điện với các thông số kỹ thuật cụ thể của máy phát, đường dây truyền tải và thiết bị SVeC. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng sự cố ngắn mạch và dao động công suất trong hệ thống để đánh giá hiệu quả của thiết bị SVeC với bộ điều khiển ANFIS.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp mô phỏng động học hệ thống điện, đánh giá các chỉ số ổn định dao động công suất, điện áp tại điểm PCC, công suất trên đường dây và vận tốc góc rotor máy phát. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2016 đến tháng 4/2017, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển ANFIS, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cải thiện độ ổn định dao động công suất: Thiết bị SVeC kết hợp bộ điều khiển ANFIS đã giảm đáng kể dao động công suất trong hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy dao động công suất giảm khoảng 30% so với hệ thống không sử dụng SVeC, đồng thời vận tốc góc rotor ổn định hơn với biên độ giảm 25%.

2. Ổn định điện áp tại điểm kết nối chung (PCC): Điện áp tại PCC duy trì ổn định trong giới hạn cho phép của Bộ Công Thương Việt Nam, với độ lệch điện áp giảm khoảng 15% khi sử dụng SVeC so với trường hợp không có thiết bị bù.

3. Tăng khả năng truyền tải công suất: Công suất truyền tải trên đường dây tăng lên khoảng 20% nhờ điều chỉnh điện áp và trở kháng hiệu quả của SVeC, giúp nâng cao khả năng vận hành của hệ thống điện trong điều kiện sự cố.

4. Hiệu quả của bộ điều khiển ANFIS: So sánh với bộ điều khiển PID truyền thống, ANFIS cho thấy khả năng thích nghi và giảm dao động tốt hơn, với thời gian đáp ứng nhanh hơn khoảng 10-15% trong các tình huống sự cố.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện ổn định dao động công suất là do thiết bị SVeC có khả năng điều khiển điện áp và trở kháng một cách linh hoạt, giúp giảm thiểu các dao động không mong muốn trên đường dây truyền tải. Bộ điều khiển ANFIS tận dụng khả năng học và điều chỉnh tham số tự động, phù hợp với các hệ thống điện có tính phi tuyến và biến đổi liên tục.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng thiết bị FACTS và điều khiển thông minh trong nâng cao độ ổn định hệ thống điện. Việc duy trì điện áp ổn định tại PCC không chỉ đảm bảo chất lượng điện năng mà còn giảm thiểu tổn thất và nguy cơ sự cố lan rộng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh dao động công suất, điện áp PCC và công suất truyền tải giữa các trường hợp có và không có SVeC, cũng như bảng tổng hợp các chỉ số hiệu suất của bộ điều khiển ANFIS so với PID.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thiết bị SVeC trong các hệ thống điện có trang trại gió: Động tác lắp đặt thiết bị SVeC tại các điểm kết nối chung (PCC) nhằm nâng cao ổn định dao động công suất, mục tiêu giảm dao động ít nhất 25% trong vòng 12 tháng, do các công ty truyền tải điện thực hiện.

2. Phát triển bộ điều khiển ANFIS cho các thiết bị FACTS: Tăng cường nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển mờ thích nghi ANFIS để thay thế các bộ điều khiển truyền thống, nhằm cải thiện khả năng thích ứng và giảm dao động, với kế hoạch hoàn thiện trong 18 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học chủ trì.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo trì thiết bị FACTS và bộ điều khiển ANFIS cho kỹ sư vận hành hệ thống điện, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn, thực hiện trong 6 tháng, do các công ty điện lực phối hợp với các trung tâm đào tạo.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành: Ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành thiết bị SVeC và bộ điều khiển ANFIS phù hợp với quy định của Bộ Công Thương, nhằm đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả trong toàn hệ thống, hoàn thành trong 12 tháng, do cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức chuyên môn thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Nghiên cứu giúp nâng cao kiến thức về thiết bị FACTS, đặc biệt là SVeC và bộ điều khiển ANFIS, áp dụng trong việc cải thiện ổn định hệ thống điện truyền tải.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quan trọng cho các đề tài nghiên cứu về điều khiển hệ thống điện, công nghệ FACTS và trí tuệ nhân tạo trong điều khiển.

3. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý ngành điện: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển hệ thống điện thông minh, nâng cao chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện.

4. Các công ty sản xuất và cung cấp thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để phát triển và cải tiến sản phẩm thiết bị bù công suất và bộ điều khiển thông minh phù hợp với yêu cầu thị trường và tiêu chuẩn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị SVeC là gì và có vai trò như thế nào trong hệ thống điện?
   SVeC là bộ bù vectơ nối tiếp, điều khiển điện áp và trở kháng trên đường dây truyền tải, giúp ổn định dao động công suất và nâng cao khả năng truyền tải điện năng.

2. Bộ điều khiển ANFIS có ưu điểm gì so với bộ điều khiển truyền thống?
   ANFIS kết hợp mạng nơron và logic mờ, có khả năng học và thích nghi với các điều kiện thay đổi của hệ thống, giảm dao động nhanh và hiệu quả hơn bộ điều khiển PID truyền thống.

3. Mô hình nghiên cứu sử dụng phần mềm nào và tại sao?
   Mô hình được xây dựng và mô phỏng trên Matlab-Simulink do phần mềm này hỗ trợ mạnh mẽ trong mô phỏng hệ thống điện và điều khiển thông minh, cho phép đánh giá chính xác hiệu quả thiết bị và bộ điều khiển.

4. Thiết bị FACTS khác gì so với các thiết bị bù công suất truyền thống?
   FACTS sử dụng điện tử công suất để điều khiển linh hoạt và nhanh nhạy các thông số điện áp, trở kháng và góc pha, trong khi thiết bị truyền thống thường có thao tác cơ khí chậm và không linh hoạt.

5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này trong hệ thống điện Việt Nam?
   Nghiên cứu giúp nâng cao độ ổn định và chất lượng điện năng trong hệ thống truyền tải có kết nối đa dạng nguồn phát như trang trại gió, góp phần giảm sự cố và tăng hiệu quả vận hành hệ thống điện quốc gia.

Kết luận

• Thiết bị SVeC kết hợp bộ điều khiển ANFIS hiệu quả trong việc nâng cao ổn định dao động công suất hệ thống điện OMIB kết nối trang trại gió.
• Mô phỏng trên Matlab cho thấy giảm dao động công suất khoảng 30%, cải thiện điện áp PCC và tăng khả năng truyền tải công suất.
• Bộ điều khiển ANFIS vượt trội hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống về khả năng thích nghi và thời gian đáp ứng.
• Đề xuất triển khai thiết bị SVeC và phát triển bộ điều khiển ANFIS trong hệ thống điện Việt Nam nhằm nâng cao chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện.
• Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống điện phức tạp hơn.

Hành động ngay hôm nay để áp dụng công nghệ FACTS và điều khiển thông minh, góp phần xây dựng hệ thống điện hiện đại, ổn định và bền vững cho tương lai.