Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng thiết bị STATCOM trong nâng cao khả năng truyền tải hệ thống điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM để nâng cao khả năng truyền tải trong hệ thống điện, cải thiện hiệu suất và ổn định lưới điện.

• Tác giả: Hồng Quốc Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Hiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng thiết bị STATCOM (Static Synchronous Compensator) để nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
• 1.4. Khả năng ứng dụng thực tế
• 1.5. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CỦA STATCOM Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP
• 2.1. Tổng quan
• 2.2. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện
• 2.2.1. Bù công suất phản kháng
• 2.2.2. Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp
• 2.2.3. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện
• 2.2.3.1. Thiết bị bù tĩnh (SVC - Static VAr Compensator)
• 2.2.3.2. Thiết bị bù nối tiếp bằng Thyristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor)
• 2.2.3.3. Thiết bị bù đồng bộ (STATCOM - Static Synchronous Compensator)
• 2.2.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất (UPFC - Unified Power Flow Controller)
• 2.3. Tổng quan của thiết bị STATCOM
• 2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
• 2.3.2. Chế độ vận hành
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ STATCOM TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
• 3.1. Khả năng ứng dụng của STATCOM trong hệ thống điện
• 3.2. Một số ứng dụng của STATCOM
• 3.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất
• 3.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố
• 3.2.3. Ôn hoà dao động công suất hữu công
• 3.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công
• 3.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây
• 3.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng
• 3.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố
• 3.3. So sánh khả năng ứng dụng giữa SVC và STATCOM
• 3.3.1. Chức năng điều khiển điện áp (chủ yếu điện áp thấp)
• 3.3.2. Cải thiện ổn định động
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH ĐIỆN ÁP NÚT CỦA STATCOM
• 4.1. Mô hình nút của hệ thống công suất
• 4.2. Mô hình STATCOM ở chế độ xác lập
• 4.3. Thuật toán Newton – Rapshon (N-R)
• 4.3.1. Giải phương trình bằng phương pháp lặp N-R
• 4.3.2. Giải hệ phương trình bằng phương pháp lặp N-R
• 4.3.3. Áp dụng phương pháp lặp N-R vào giải tích lưới điện
• 4.3.4. Biểu đồ chương trình hoá phương pháp N-R giải tích máy điện
• 4.4. Mô hình động của STATCOM
• 4.5. Xây dựng bài toán phân bố công suất với mô hình STATCOM
• 5. CHƯƠNG 5: ÁP DỤNG, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả bài toán phân bố công suất
• 5.2. Kết quả kiểm tra với chương trình chạy Hadi Saadat
• 5.3. Kết quả kiểm tra với chương trình chạy PSAT
• 5.4. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM để nâng cao hiệu suất truyền tải hệ thống điện. Với sự phát triển của công nghệ, việc tối ưu hóa hệ thống điện trở nên cấp thiết. Thiết bị STATCOM được xem là giải pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất truyền tải và ổn định điện áp. Luận văn sử dụng phương pháp Newton-Raphson để phân tích hệ thống điện, đồng thời ứng dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và kiểm chứng kết quả.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là hiểu rõ nguyên lý hoạt động của thiết bị STATCOM và xây dựng mô hình toán học ở chế độ xác lập. Nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu suất truyền tải và ổn định hệ thống điện thông qua việc điều khiển điện áp và dòng công suất.

1.2. Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung vào thiết bị STATCOM trong chế độ xác lập, ứng dụng trong việc điều khiển điện áp và dòng công suất. Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng để giải bài toán dòng công suất, mở rộng phạm vi hội tụ của thuật toán.

II. Tổng quan về thiết bị STATCOM

Thiết bị STATCOM là một phần của công nghệ FACTS, được sử dụng để điều khiển điện áp và dòng công suất trong hệ thống điện. STATCOM có khả năng bù công suất phản kháng một cách linh hoạt, giúp nâng cao hiệu suất truyền tải và ổn định hệ thống. Luận văn trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các chế độ vận hành của STATCOM.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Thiết bị STATCOM bao gồm các bộ chuyển đổi điện áp (VSC) và tụ điện DC. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng công suất phản kháng thông qua việc điều chỉnh điện áp đầu ra. STATCOM có khả năng đáp ứng nhanh, giúp ổn định điện áp trong hệ thống.

2.2. Ứng dụng của STATCOM

STATCOM được sử dụng để điều chỉnh điện áp, giảm quá áp, và cải thiện hiệu suất truyền tải. Nó cũng giúp cân bằng phụ tải không đối xứng và tăng khả năng tải của đường dây. So với các thiết bị bù khác như SVC, STATCOM có hiệu suất cao hơn và phạm vi ứng dụng rộng hơn.

III. Mô hình toán học của STATCOM

Luận văn xây dựng mô hình toán học của thiết bị STATCOM dựa trên điện áp nút. Mô hình này được sử dụng để phân tích hệ thống điện ở chế độ xác lập. Phương pháp Newton-Raphson được áp dụng để giải bài toán dòng công suất, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả.

3.1. Mô hình điện áp nút

Mô hình điện áp nút của STATCOM được xây dựng dựa trên các ràng buộc đẳng thức và bất phương trình. Mô hình này cho phép phân tích hệ thống điện một cách toàn diện, đặc biệt khi có sự tham gia của STATCOM.

3.2. Thuật toán Newton Raphson

Thuật toán Newton-Raphson được sử dụng để giải bài toán dòng công suất. Phương pháp này giúp mở rộng phạm vi hội tụ của thuật toán, đảm bảo tính chính xác trong việc phân tích hệ thống điện.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tế

Luận văn trình bày kết quả phân tích hệ thống điện khi có và không có thiết bị STATCOM. Kết quả cho thấy STATCOM giúp nâng cao hiệu suất truyền tải và ổn định điện áp. Phần mềm MATLAB được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng kết quả, so sánh với các chương trình khác như Hadi Saadat và PSAT.

4.1. Kết quả phân tích

Kết quả phân tích cho thấy việc sử dụng thiết bị STATCOM giúp cải thiện đáng kể điện áp tại các nút và hiệu suất truyền tải. Các kết quả này được so sánh với các chương trình khác để đảm bảo tính khách quan.

4.2. Ứng dụng thực tế

Thiết bị STATCOM có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện, đặc biệt trong bối cảnh thị trường điện cạnh tranh. Việc áp dụng STATCOM giúp tối ưu hóa hệ thống điện, giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và khoa học công nghệ, nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện ngày càng tăng cao, đặt ra thách thức lớn đối với hệ thống truyền tải điện hiện nay. Theo ước tính, các hệ thống điện truyền tải công suất lớn, đặc biệt là các đường dây siêu cao áp như đường dây 500kV Bắc - Nam Việt Nam dài gần 1.500 km, thường gặp phải các vấn đề về quá tải, dao động điện áp và mất ổn định do công suất phản kháng sinh ra trong quá trình vận hành. Việc nâng cao khả năng truyền tải và ổn định điện áp là mục tiêu quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và an toàn vận hành hệ thống điện.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM (Static Synchronous Compensator) – một thiết bị thuộc nhóm FACTS (Flexible AC Transmission Systems) – nhằm nâng cao khả năng truyền tải và ổn định điện áp cho hệ thống điện. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học của STATCOM ở chế độ xác lập, áp dụng thuật toán Newton-Raphson để phân tích bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện có và không có STATCOM, đồng thời sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và kiểm chứng kết quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện xoay chiều, với các phân tích kỹ thuật chủ yếu trong điều kiện vận hành ổn định.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống truyền tải điện, giảm thiểu hiện tượng quá áp, sụp đổ điện áp và tăng khả năng tải của đường dây truyền tải. Kết quả nghiên cứu góp phần hỗ trợ các nhà quản lý và kỹ sư điện trong việc lựa chọn và triển khai các thiết bị FACTS phù hợp, từ đó nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hệ thống truyền tải điện xoay chiều và các thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống điện. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết về công suất phản kháng và ổn định điện áp trong hệ thống điện: Công suất phản kháng do đường dây truyền tải sinh ra ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp tại các nút trong hệ thống. Việc bù công suất phản kháng bằng các thiết bị như SVC, TCSC, STATCOM giúp cải thiện điện áp và ổn định hệ thống. Các khái niệm chính bao gồm công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), điện áp nút, và trở kháng đường dây.

2. Mô hình thiết bị FACTS, đặc biệt là STATCOM: STATCOM là thiết bị bù ngang sử dụng công nghệ chuyển đổi nguồn áp (Voltage Sourced Converter - VSC) với các thiết bị bán dẫn như GTO hoặc IGBT. Mô hình toán học của STATCOM ở chế độ xác lập được xây dựng dựa trên đặc tính V-I, điều khiển điện áp và dòng điện, cùng với các giới hạn vận hành. Các khái niệm chính bao gồm điện áp đầu ra Vout, điện áp hệ thống Vac, dòng điện STATCOM ISTA, và góc pha α.

3. Thuật toán Newton-Raphson: Phương pháp giải hệ phương trình phi tuyến được sử dụng để phân tích bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện. Thuật toán này được áp dụng để tính toán điện áp và công suất tại các nút trong hệ thống, với khả năng hội tụ nhanh và chính xác.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: công suất phản kháng, điện áp nút, thiết bị bù ngang, mô hình điện áp nút, thuật toán Newton-Raphson, và các thiết bị FACTS như SVC, TCSC, UPFC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích mô hình toán học kết hợp mô phỏng máy tính để đánh giá hiệu quả của thiết bị STATCOM trong hệ thống điện. Cụ thể:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật về hệ thống điện, các thông số đường dây, máy phát điện, tải và thiết bị STATCOM được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành và mô hình hệ thống điện tiêu chuẩn.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học của hệ thống điện và STATCOM ở chế độ xác lập. Áp dụng thuật toán Newton-Raphson để giải bài toán phân bố công suất, tính toán điện áp và công suất tại các nút trong hệ thống. So sánh kết quả phân bố công suất khi có và không có STATCOM.

• Mô phỏng: Sử dụng phần mềm MATLAB để thực hiện mô phỏng các kịch bản vận hành hệ thống điện, biểu diễn kết quả điện áp và công suất. Kết quả mô phỏng được kiểm chứng bằng cách so sánh với các chương trình phân tích hệ thống điện PSAT và code của Hadi Saadat.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2012, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, lập trình mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống điện mô phỏng với nhiều nút, đường dây và thiết bị, được lựa chọn để phản ánh đặc điểm vận hành thực tế của hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt là đường dây siêu cao áp 500kV Bắc - Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của STATCOM đến điện áp nút: Kết quả mô phỏng cho thấy khi có STATCOM, điện áp tại các nút phụ tải được duy trì ổn định hơn, giảm biến động so với trường hợp không có STATCOM. Ví dụ, điện áp tại nút phụ tải cuối cùng được giữ gần như không đổi trong khi tải tăng, so với mức giảm đáng kể khi không có thiết bị bù. Đường đặc tính điện áp - công suất tải thể hiện rõ sự cải thiện này với sự tham gia của STATCOM.

2. Giảm hiện tượng quá áp và tăng ổn định điện áp: STATCOM có khả năng giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố như mất tải đột ngột hoặc ngắn mạch. Thời gian phản ứng của STATCOM trong vòng 10ms giúp giảm thiểu quá áp xuống dưới mức giới hạn bảo vệ, nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống.

3. Ổn định dao động công suất hữu công: Trong các tình huống dao động công suất như mất tải hoặc sự cố ngắn mạch, STATCOM được điều khiển để kìm hãm dao động bằng cách điều chỉnh góc mở thyristor gần như tức thời, giúp hệ thống nhanh chóng trở lại trạng thái ổn định.

4. Tăng khả năng tải của đường dây: Việc sử dụng STATCOM làm tăng giới hạn truyền tải công suất của đường dây, giảm tổn thất do dòng điện vô công và cải thiện tính ổn định tĩnh và động của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy công suất truyền tải có thể tăng lên đáng kể khi có STATCOM, giúp khai thác hiệu quả hơn các hành lang truyền tải hiện có.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do STATCOM hoạt động như một nguồn công suất phản kháng linh hoạt, có thể cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng nhanh chóng theo yêu cầu của hệ thống. Điều này giúp duy trì điện áp ổn định tại các nút, hạn chế hiện tượng sụt áp hoặc quá áp, đồng thời giảm thiểu dao động công suất gây mất ổn định.

So với các thiết bị bù công suất phản kháng truyền thống như SVC hay TCSC, STATCOM có ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển linh hoạt, đáp ứng nhanh và hiệu quả hơn trong các điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng FACTS trong nâng cao hiệu quả truyền tải điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp tại các nút theo thời gian, biểu đồ công suất truyền tải trên đường dây, và bảng so sánh các chỉ tiêu vận hành khi có và không có STATCOM, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai lắp đặt STATCOM tại các nút trọng điểm của hệ thống điện nhằm ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất, đặc biệt tại các nút có tải lớn hoặc đường dây siêu cao áp dài. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, do các nhà quản lý hệ thống điện và các đơn vị vận hành chịu trách nhiệm.

2. Phát triển và ứng dụng phần mềm mô phỏng và phân tích hệ thống điện tích hợp STATCOM để hỗ trợ công tác thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống điện. Mục tiêu nâng cao độ chính xác trong dự báo và điều khiển, thực hiện trong 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

3. Đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư vận hành và bảo trì về công nghệ FACTS và STATCOM, nhằm nâng cao năng lực quản lý và vận hành thiết bị mới, đảm bảo hiệu quả và an toàn. Thời gian đào tạo liên tục, do các cơ sở đào tạo kỹ thuật và các nhà sản xuất thiết bị tổ chức.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng STATCOM trong các hệ thống điện phân tán và lưới điện thông minh, nhằm tận dụng tối đa lợi ích của thiết bị trong điều kiện vận hành phức tạp và đa dạng. Thời gian nghiên cứu 3-5 năm, do các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Nghiên cứu giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động và ứng dụng của STATCOM trong việc nâng cao ổn định điện áp và khả năng truyền tải, hỗ trợ công tác vận hành và xử lý sự cố.

2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để đưa ra các quyết định đầu tư, phát triển hạ tầng truyền tải điện hiệu quả, phù hợp với xu hướng công nghệ hiện đại.

3. Giảng viên và sinh viên ngành điện – điện tử: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về thiết bị FACTS, mô hình hệ thống điện và các phương pháp phân tích kỹ thuật.

4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điện: Hướng dẫn xây dựng mô hình toán học, thuật toán phân tích và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong nghiên cứu thiết bị điện tử công suất, mở rộng nghiên cứu về các thiết bị FACTS khác.

Câu hỏi thường gặp

1. STATCOM là gì và có vai trò gì trong hệ thống điện?
   STATCOM là thiết bị bù công suất phản kháng thuộc nhóm FACTS, giúp điều chỉnh điện áp và ổn định hệ thống điện bằng cách cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng nhanh chóng. Ví dụ, STATCOM có thể giữ điện áp ổn định tại các nút phụ tải khi tải tăng đột ngột.

2. Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Thuật toán Newton-Raphson được áp dụng để giải bài toán phân bố công suất phi tuyến trong hệ thống điện, tính toán điện áp và công suất tại các nút. Phương pháp này có ưu điểm hội tụ nhanh và chính xác, phù hợp với mô hình có STATCOM.

3. Ưu điểm của STATCOM so với các thiết bị bù công suất phản kháng khác là gì?
   STATCOM có khả năng điều khiển linh hoạt, đáp ứng nhanh hơn SVC và TCSC, đặc biệt hiệu quả khi điện áp hệ thống thấp. Nó cũng chiếm diện tích lắp đặt nhỏ hơn và có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều chế độ vận hành.

4. STATCOM có thể ứng dụng trong những trường hợp nào?
   STATCOM được sử dụng để điều chỉnh điện áp, giới hạn quá áp khi xảy ra sự cố, giảm dao động công suất, tăng khả năng tải của đường dây và cân bằng phụ tải không đối xứng. Ví dụ, nó rất hữu ích trong các hệ thống điện có đường dây siêu cao áp dài như 500kV Bắc - Nam.

5. Làm thế nào để kiểm chứng kết quả mô phỏng của STATCOM?
   Kết quả mô phỏng bằng MATLAB được so sánh với các chương trình phân tích hệ thống điện như PSAT và code của Hadi Saadat để đảm bảo tính chính xác và khách quan của nghiên cứu.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học của thiết bị STATCOM ở chế độ xác lập và áp dụng thuật toán Newton-Raphson để phân tích bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện.
• Kết quả mô phỏng cho thấy STATCOM giúp duy trì điện áp ổn định, giảm hiện tượng quá áp và dao động công suất, đồng thời tăng khả năng tải của đường dây truyền tải.
• So sánh với các thiết bị bù công suất phản kháng khác, STATCOM có ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển linh hoạt và đáp ứng nhanh.
• Nghiên cứu góp phần cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh phát triển lưới điện siêu cao áp.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế, đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng ứng dụng STATCOM trong các hệ thống điện hiện đại.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện nên xem xét áp dụng thiết bị STATCOM tại các nút trọng điểm để nâng cao hiệu quả truyền tải và ổn định điện áp, đồng thời đầu tư phát triển công nghệ và đào tạo chuyên sâu cho đội ngũ kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan về mô hình của STATCOM ở chế độ xác lập Trình bày một số thiết bị FACT điển hình, giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chế độ vận hành của STATCOM. Tổng quan về một số mô hình và chế độ hoạt động của STATCOM ở chế độ xác lập. Chương 3: Ứng dụng của thiết bị bù STATCOM trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện Phân tích một số đặc điểm của thiết bị STATCOM trong hệ thống điện, chủ yếu nâng cao điện áp để ổn định lưới điện. Chương 4: Mô hình điện áp nút của STATCOM Xây dựng mô hình STATCOM ở chế độ xác lập dựa trên các điện áp nút.

Mô hình mô tả dưới dạng ràng buộc đẳng thức và ràng buộc bất phương trình là một 3 trong những mô hình toàn diện và linh hoạt phù hợp cho phân tích ở chế độ xác lập của hệ thống điện với có sự tham gia của STATCOM. Chương 5: Áp dụng, kết luận và hướng phát triển. Chương này sẽ áp dụng mô hình STATCOM như đã trình bày trong chương 4. Sử dụng phần mềm MATLAB để thực hiện biểu diễn kết quả của mô hình và sử dụng thuật toán Newton –Raphson cho phân tích hệ thống điện ở chế độ xác lập.

Ngoài ra, để kết quả mang tính khách quan kết quả thu được sẽ so với kết quả khi kiểm tra bằng chương trình chạy của Hadi Saadat và PSAT. 4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CỦA STATCOM Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP 2.1 Tổng quan: FACTS là từ viết tắt cho Flexible AC Transmission Systems. Các khái niệm về FACTS đã được phổ biến rộng rãi trên thế giới để tăng giới hạn truyền dẫn công suất ở trạng thái ổn định cũng như cải thiện khả năng đáp ứng hệ thống điện động đã được giới thiệu của Tiến Sĩ N. Hingorani từ Viện Nghiên Cứu Điện Lực Mỹ.

Khái niệm này lần đầu tiên được đề cập trong Tạp chí EPRI vào năm 1986 và sau đó trong các bài phát biểu của cuộc họp IEEE Summer PES vào tháng bảy năm 1987 tại San Francisco và tại Hội nghị về Điện năm 1988 Mỹ [1]. Các thiết bị FACTS cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lưới truyền tải hiện có; tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới; tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp có yêu cầu chất lượng điện năng cao; các lợi ích về môi trường khác. Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp. Dưới đây là mô tả các loại thiết bị FACT chủ yếu.2 Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện: Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra là rất lớn.

Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện tượng này, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như: 5  Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây.  Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tính toán rút ngắn lại.  Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các trạm trung gian trên đường dây.

Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km.  Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này.1 Bù công suất phản kháng: Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường là 10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây.  Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây là: .1)  Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: 3.2)  Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I: .3)  Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: 3.4) 6  Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu giữa công suất điện trường và từ trường: 3.

 Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có: .6) Trong đó: là tổng trở sóng của đường dây Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên ITN. Đối với đường dây dài hữu hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng XC của đường dây. Đây là chế độ tải công suất tự nhiên. Trong trường hợp này, đường dây siêu cao áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng.7 Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường dây và qua đó nâng cao tính ổn định.

Các biện pháp thường được áp dụng và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp.2 Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp: Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang. Mục đích chủ yếu của việc đặt các 7 thiết bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây. Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt là những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500kV Bắc - Nam ở Việt Nam.1 Bù dọc: Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện.

Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ. Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC).

Giả sử góc lệch  giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha  giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều.2 Bù ngang: Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp 8 song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện. Dòng điện Il của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau.

Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải. của đường dây.  Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp.

Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây.  Trong chế độ non tải (PTải < PTN), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số cos  cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng.  Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Q0 ≈ 1MVAR/km) nên ta phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này.

Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km.  Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau: .8) 9 Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường dây phát ra.3 Nhận xét:  Đường dây siêu cao áp có nhiều đặc điểm riêng về kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế phát triển lưới điện, đặc biệt là về giới hạn ổn định và ổn định điện áp.  Mô hình đường dây siêu cao áp khi tính toán phải theo sơ đồ thông số rải.