Đặt vấn đề Ổn định điện áp là một trong những vấn đề quan trọng trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện, đặc biệt là trong môi trƣờng thị trƣờng điện cạnh tranh, ở đó nhu cầu tiêu thụ điện ngày một tăng và làm cho hệ thống điện ngày càng bị căng thẳng nặng, có thể dẫn đến các nguy cơ mất điện do điện áp mất ổn định. Sự mất ổn định có thể dẫn đến sự tăng hoặc giảm điện áp tại một vài nút trong hệ thống. Kết quả có thể xảy ra của mất ổn định điện áp là phải sa thải phụ tải trong một vùng hoặc sa thải các đƣờng dây truyền tải bởi các thiết bị bảo vệ trong hệ thống điện. Đây là nguyên nhân gây mất điện lan truyền và dẫn đến một số máy phát điện bị mất đồng bộ.
Trên thế giới đã ghi nhận nhiều vụ mất điện trên diện rộng (Blackout) do sự cố sụp đổ điện áp gây ra. Ở Việt Nam cũng đã xảy ra các sự cố mất điện trên diện rộng, đặc biệt là 22/05/2013 đã xảy ra sự cố trên đƣờng dây 500kV, gây mất điện cho 22 tỉnh/thành phía Nam. Tất cả các trƣờng hợp trên đều liên quan đến mất ổn định điện áp, do đó vấn đề ổn định điện áp là sự cố rất nghiêm trọng và đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Ổn định điện áp là đáp ứng khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút của hệ thống trong phạm vi cho phép (tùy thuộc từng nút mà dao động điện áp tại mỗi nút khác nhau).
Trong điều kiện vận hành không bình thƣờng hoặc sau khi bị nhiễu loạn, hệ thống sẽ đi vào trạng thái mất ổn định, khi đó sẽ xuất hiện các kích động nhƣ tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho hệ thống xảy ra sự giảm điện áp và nặng nề nhất là rơi vào tình trạng không thể điều khiển điện áp, rồi dẫn đến hậu quả là sụp đổ điện áp. Hiện nay ở nƣớc ta đang trong tình trạng thiếu nguồn điện, trong khi phụ tải lại tăng nhanh. Do đó các đƣờng dây truyền tải đang làm việc ở công suất giới hạn cho phép và điện áp tại các nút có nguy cơ giảm mạnh xuống dƣới mức cho phép và thậm chí có thể giảm đến mức giới hạn về ổn định điện áp.
Mặt khác, nƣớc ta đang trong giai đoạn thực hiện vận hành thị trƣờng điện lực ở khâu phát điện và sẽ tiến tới thị trƣờng bán buôn và sau đó là thị trƣờng bán lẻ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra. Khi đó phƣơng thức điều độ 1 vận hành hệ thống điện sẽ phức tạp hơn nhiều và công suất truyền tải trong lƣới điện sẽ phụ thuộc không chỉ vào công suất phát của nhà máy điện, công suất tiêu thụ của phụ tải mà còn phụ thuộc vào cả giá bán điện của các nhà máy, các hợp đồng song phƣơng… nên việc nghiên cứu ổn định điện áp để đảm bảo an toàn trong vận hành hệ thống điện càng đƣợc đặc biệt quan tâm. Trƣớc đây, khi ngành công nghiệp điện tử công suất chƣa phát triển mạnh thì việc nâng cao chất lƣợng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí các phần tử điện nhƣ: cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp để ổn định hệ thống điện. Ngày nay, nhờ thiết bị FACTS ra đời đã giúp cho việc vận hành và điều khiển hệ thống điện đƣợc linh hoạt và nhanh chóng hơn.
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, góc pha, trở kháng đƣờng dây gần nhƣ tức thời. Ngoài ra nó còn cho phép đƣờng dây vận hành gần với mức giới hạn về nhiệt của đƣờng dây truyền tải. Các thiết bị thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ: SVC, STATCOM, TCSC, SSSC, UPFC. Các thiết bị này có thể đƣợc đặt tại những vị trí phù hợp trong hệ thống điện để nâng cao tối đa trong việc cải thiện giới hạn ổn định điện áp.
Trong luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu nâng cao ổn định điện áp của hệ thống điện bằng việc sử dụng bộ bù tĩnh STATCOM, sau khi bị ảnh hƣởng bởi các biến động trên hệ thống điện. Các công trình liên quan nổi bật 1. Công trình trong nƣớc Để nâng cao chất lƣợng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng. Tuy nhiên các thiết bị bù đó chƣa đáp ứng đủ những yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng.
Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS đã đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng nhƣ dung lƣợng bù tối ƣu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc. Bài báo [1] nghiên cứu về những vấn đề trên nhằm đƣa ra vị trí lắp đặt các thiết bị FACTS thích hợp cho hệ thống điện Việt Nam. Trong quá trình phân tích bỏ qua yếu tố kinh tế và chỉ chú trọng vào yếu tố kỹ thuật. Quá trình nghiên cứu tính toán sử dụng sơ đồ hệ thống điện Việt Nam tháng 12 năm 2010 và việc tính toán bù công suất phản kháng tập trung chủ yếu vào các khu vực có mật độ tải dày đặc và có thể gia tăng đột biến trong các chế độ làm việc khác nhau.
Các kết quả tính toán trào lƣu công suất hệ thống, phân tích đặc tính P-V, Q-V đƣợc khảo sát qua phần mềm PSS/E-30. Giải pháp kỹ thuật để khắc phục sự mất ổn định và sụp đổ điện áp mà bài báo này đƣa ra là áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System). Với độ nhanh nhạy, chính xác, điều khiển linh hoạt, các thiết bị FACTS sẽ cải thiện độ ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất trên hệ thống. Ngoài ra, trong [2] có đề xuất cách phân tích ổn định điện áp hệ thống điện 500 kV Việt Nam bằng cách sử dụng kết hợp các công cụ đƣờng cong PV, QV trong phần mềm chuyên dụng PowerWorld Simulator 13.
Bằng phƣơng pháp xây dựng các đƣờng cong PV, QV ứng với trƣờng hợp cơ bản và các trƣờng hợp sự cố N-1, N-2 có thể xác định các nút yếu về ổn định điện áp, các sự cố gây ảnh hƣởng lớn đến ổn định điện áp. Qua sử dụng công cụ PV, QV với số liệu trong 2 năm 2009 và 2010, có thể nhận thấy đƣợc rằng hệ thống 500kV của Việt Nam hiện nay vẫn đảm bảo về ổn định điện áp, song vẫn còn tồn tại một số nút yếu và một số sự cố có thể gây ảnh hƣởng lớn đến độ dự trữ ổn định điện áp. Trên cơ sở đó có thể có các biện pháp cần thiết để cải thiện độ dự trữ ổn định điện áp tại các nút yếu. Ổn định điện áp là một vấn đề quan trọng cần đƣợc quan tâm trong vận hành hệ thống điện Việt Nam hiện nay.
Sử dụng kết hợp các đƣờng cong PV, QV có thể giúp tìm đƣợc các nút yếu về ổn định điện áp trong hệ thống, xác định đƣợc các sự cố dễ gây ra sụp đổ điện áp. Qua sử dụng công cụ PV, QV với số liệu trong 2 năm 2009 và 2010, có thể nhận thấy đƣợc rằng hệ thống 500kV của Việt Nam hiện nay, vẫn đảm bảo về ổn định điện áp, song vẫn còn tồn tại một số nút yếu nhƣ Hà Tĩnh, Đà Nẵng… và một số sự cố có thể gây ảnh hƣởng lớn đến độ dự trữ ổn định điện áp (đứt 1 đƣờng dây, 2 đƣờng dây). Vì vậy cần xem xét đến vấn đề này để bảo đảm vận hành hệ thống truyền tải điện ngày càng tin cậy và ổn định đồng thời có các biện pháp cần thiết để tăng độ dự trữ ổn định điện áp tại các nút đó nhƣ đặt các thiết bị bù STATCOM, SVC. Cũng nghiên cứu về FACTS TS.
Ngô Đức Minh, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã phối hợp giữa phƣơng pháp phân tích lƣới điện truyền thống 3 với mô phỏng bằng Matlab để trình bày những hoạt hoạt động cơ bản của hệ thống điện thông qua một mô hình nghiên cứu tối giản nhƣng vẫn đảm bảo tính tổng quát, trong đó có ứng dụng công nghệ FACTS. Nội dung chính gồm: Xây dựng một mô hình lƣới điện kín điển hình đƣợc suy ra từ những sơ đồ chuẩn của IEEE để phục vụ chung cho nhiều hƣớng nghiên cứu; Phân tích lƣới, đánh giá những yếu tố ảnh hƣởng đến dòng công suất trong lƣới và xét riêng cho một yếu tố cụ thể là điện áp nút; Ứng dụng công nghệ FACTS với thiết bị STATCOM-PWM bù công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp nút và do đó điều khiển dòng công suất trong lƣới; Mô hình mô phỏng bằng Matlab- Simulink lƣới điện kín có STATCOM-PWM với cấu hình nghịch lƣu Multi-level; Phân tích đánh giá các kết quả nghiên cứu thu đƣợc và đề xuất các nghiên cứu tiếp theo. Công trình nƣớc ngoài Bài báo [4] đã trình bày việc ứng dụng PSO trong việc xác định dung lƣợng và vị trí của một STATCOM trong hệ thống điện khi xem xét điều kiện chênh lệch điện áp tai mỗi bus. Các kết quả từ các ví dụ minh họa cho thấy PSO có thể tìm ra giải pháp tốt nhất cho việc xác định dung lƣợng và vị trí với ý nghĩ thống kê to lớn khi đánh giá nhũng giá trị số liệu chênh lệch điện áp nhỏ nhất, lớn nhất, trung bình và tiêu chuẩn, cùng với mức độ hội tụ cao.
Cần phải chú ý tới giá trị chênh lệch điện áp tối đa vì dung lƣợng của STATCOM rất nhạy cảm với yếu tố này. Những yêu cầu chặt chẽ hơn về chênh lệch điện áp sẽ là tăng kích thƣớc của STATCOM. Nhóm tác giả cho rằng đây là những kết quả vô cùng hứa hẹn cho các mạng lƣới điện cỡ trung dùng làm mẫu. Tại các hệ thống điện lớn và cực lớn, thuật toán PSO có thể mang lại lợi những ƣu điểm đáng kể so với các phƣơng pháp khác thông qua vệc đƣa ra những giải pháp tốt hơn mà cần ít công sức tính toán hơn.
Những ứng dụng trong tƣơng lai có thể chia làm hai hƣớng.