Tổng quan nghiên cứu

Huyện đảo Phú Quốc, được Chính phủ phê duyệt trở thành một trong ba đặc khu kinh tế trọng điểm của Việt Nam, đang đối mặt với nhu cầu cấp thiết về cung cấp điện ổn định và liên tục để phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. Hệ thống truyền tải điện 110 kV Hà Tiên – Phú Quốc đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo nguồn điện cho khu vực này. Tuy nhiên, việc truyền tải điện qua tuyến cáp ngầm xuyên biển dài khoảng 55,7 km gặp nhiều thách thức về ổn định điện áp và khả năng truyền tải công suất do đặc thù kỹ thuật và điều kiện vận hành phức tạp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh (SSSC) kết hợp với bộ điều khiển nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS) nhằm nâng cao độ ổn định và chất lượng điện năng cho hệ thống truyền tải 110 kV Hà Tiên – Phú Quốc. Nghiên cứu tập trung mô phỏng và đánh giá hiệu quả của SSSC trong việc cải thiện khả năng truyền tải công suất và giảm dao động điện áp, đặc biệt trong các tình huống sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch 3 pha.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống điện 110 kV kết nối giữa Hà Tiên và Phú Quốc, với dữ liệu mô phỏng dựa trên mô hình phi tuyến và các thông số kỹ thuật của cáp ngầm, thiết bị SSSC và bộ điều khiển ANFIS. Thời gian nghiên cứu từ tháng 8/2017 đến tháng 4/2018, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy, ổn định điện áp và khả năng truyền tải công suất của hệ thống điện đặc khu, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội bền vững cho huyện đảo Phú Quốc.

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:

  • Bù nối tiếp đường dây truyền tải: Mục đích là giảm trở kháng nối tiếp của đường dây, từ đó tăng khả năng truyền tải công suất. Tụ bù nối tiếp cung cấp điện áp vuông góc với dòng điện, làm giảm điện kháng cảm ứng của đường dây, giúp tăng công suất truyền tải theo công thức $P = \frac{V_s V_r}{X} \sin \delta$ với $X$ là điện kháng tổng hợp sau bù.

  • Nguồn điện áp đồng bộ (SVS): Thiết bị chuyển đổi điện áp nguồn (Voltage Source Converter - VSC) tạo ra điện áp điều khiển có thể thay đổi biên độ và pha, cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng tức thời, giúp điều khiển điện áp và trở kháng trong hệ thống.

  • Bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh (SSSC): SSSC sử dụng SVS để bơm điện áp xoay chiều có biên độ và pha điều khiển vào đường dây truyền tải, độc lập với dòng điện, giúp tăng hoặc giảm điện kháng ảnh hưởng, điều chỉnh công suất truyền tải và nâng cao độ ổn định hệ thống. Mô hình một pha của SSSC gồm tụ điện DC, bộ chuyển đổi nguồn điện áp, bộ lọc thông thấp và biến áp ghép.

  • Bộ điều khiển ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System): Kết hợp mạng nơ-ron và logic mờ để điều khiển thích nghi, tự động điều chỉnh các tham số hàm liên thuộc dựa trên dữ liệu huấn luyện, giúp thiết bị SSSC phản ứng nhanh và chính xác với các biến động trong hệ thống điện.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật về hệ thống cáp ngầm 110 kV Hà Tiên – Phú Quốc, thông số thiết bị SSSC, dữ liệu vận hành hệ thống điện và các kết quả mô phỏng từ phần mềm Matlab.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình phi tuyến để mô phỏng hệ thống điện, đánh giá hiệu quả của SSSC kết hợp bộ điều khiển ANFIS trong các tình huống vận hành bình thường và sự cố ngắn mạch 3 pha. Phân tích điện áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng và tần số máy phát tại bus Phú Quốc.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng dựa trên hệ thống điện thực tế với 2 máy phát đồng bộ 40 MVA mỗi máy, cáp ngầm dài 57 km, thiết bị SSSC công suất 25 MVA. Dữ liệu huấn luyện bộ điều khiển ANFIS được lấy từ các biến động tần số và đạo hàm tần số trong hệ thống.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 8/2017 đến tháng 4/2018, bao gồm khảo sát hiện trạng, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả bù công suất phản kháng ngang: Năm 2014, để đảm bảo điện áp dọc đường dây không vượt quá 1,1 pu khi hở mạch đầu Phú Quốc, cần bù công suất phản kháng ngang 70% tại hai đầu cáp (tương đương 42 MVAr mỗi đầu). Đến năm 2020, mức bù giảm còn 55% (33 MVAr mỗi đầu) do phụ tải tăng và nhà máy điện tại chỗ vận hành.

  2. Tác động của SSSC và bộ điều khiển ANFIS: Mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha cho thấy khi chưa có SSSC, điện áp tại bus Phú Quốc dao động lớn và thời gian quá độ kéo dài. Khi gắn SSSC kết hợp ANFIS, biên độ dao động giảm khoảng 26 mV và thời gian quá độ rút ngắn rõ rệt, nâng cao độ ổn định hệ thống.

  3. Phản ứng với thay đổi công suất đột ngột: Khi máy phát thay đổi công suất 10% đột ngột, hệ thống có SSSC và ANFIS duy trì điện áp, công suất và tần số ổn định hơn so với trường hợp không có thiết bị bù, thể hiện qua các dạng sóng điện áp và tần số mượt mà hơn.

  4. Độ chính xác và khả năng thích nghi của ANFIS: Bộ điều khiển ANFIS với 2 ngõ vào và 3 biến ngôn ngữ giúp xử lý nhanh, giảm số lượng luật và thông số cần điều chỉnh, nâng cao hiệu quả điều khiển trong các tình huống vận hành phức tạp.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy rõ ràng thiết bị SSSC kết hợp bộ điều khiển ANFIS có khả năng nâng cao độ ổn định động và quá độ của hệ thống điện 110 kV Hà Tiên – Phú Quốc. Việc bù công suất phản kháng ngang và nối tiếp giúp điều chỉnh điện áp dọc đường dây, giảm thiểu hiện tượng quá áp và dao động điện áp khi xảy ra sự cố.

So với các nghiên cứu trước đây về FACTS, việc ứng dụng SSSC với bộ điều khiển ANFIS cho phép điều khiển linh hoạt hơn, đáp ứng nhanh với các biến động tần số và công suất, từ đó cải thiện chất lượng điện năng và tăng khả năng truyền tải công suất. Các biểu đồ dạng sóng điện áp, công suất và tần số minh họa sự khác biệt rõ rệt giữa hệ thống có và không có thiết bị bù, thể hiện qua các đường màu đỏ (có SSSC + ANFIS) và xanh (không có).

Tuy nhiên, luận văn cũng chỉ ra một số hạn chế như thời gian huấn luyện bộ điều khiển ANFIS còn dài và cần tối ưu tham số để nâng cao hiệu quả. So với các thiết bị bù khác như TCSC, SSSC có ưu thế trong việc điều khiển điện áp nối tiếp độc lập với dòng điện, giúp tăng khả năng truyền tải và ổn định hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt thiết bị SSSC kết hợp bộ điều khiển ANFIS tại đầu Phú Quốc: Động tác này nhằm nâng cao độ ổn định điện áp và khả năng truyền tải công suất, giảm thiểu dao động khi xảy ra sự cố. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do Tổng công ty Điện lực miền Nam chủ trì.

  2. Tối ưu hóa bộ điều khiển ANFIS bằng các thuật toán tối ưu: Áp dụng giải thuật bầy đàn (PSO) hoặc giải thuật di truyền (GA) để giảm thời gian huấn luyện và nâng cao độ chính xác điều khiển. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 6-9 tháng, do nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đảm nhiệm.

  3. Nâng cấp hệ thống bù công suất phản kháng ngang: Điều chỉnh dung lượng bù theo nhu cầu thực tế, giảm từ 70% xuống còn 55% vào năm 2020, nhằm đảm bảo điện áp dọc đường dây trong giới hạn cho phép, đồng thời tiết kiệm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện là Ban Quản lý dự án Điện lực miền Nam.

  4. Theo dõi và đánh giá hiệu quả vận hành: Thiết lập hệ thống giám sát liên tục các thông số điện áp, công suất và tần số tại các điểm đầu cuối để kịp thời điều chỉnh thiết bị bù và bộ điều khiển. Thời gian triển khai liên tục, do Trung tâm Điều độ hệ thống điện miền Nam quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia ngành điện lực: Nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị FACTS, đặc biệt là SSSC và bộ điều khiển ANFIS, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống truyền tải điện.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Đánh giá các giải pháp kỹ thuật để đảm bảo cung cấp điện ổn định cho các đặc khu kinh tế, từ đó xây dựng kế hoạch đầu tư phù hợp.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo cho các khóa học về hệ thống điện, điều khiển tự động và công nghệ điện tử công suất.

  4. Các nhà thầu và đơn vị thi công dự án điện: Tham khảo các thông số kỹ thuật, phương pháp lắp đặt và vận hành thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống truyền tải điện cao áp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tụ bù nối tiếp SSSC là gì và có ưu điểm gì so với các thiết bị bù khác?
    SSSC là thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh sử dụng bộ chuyển đổi nguồn điện áp để bơm điện áp điều khiển vào đường dây truyền tải, giúp điều chỉnh điện áp và trở kháng độc lập với dòng điện. Ưu điểm là khả năng điều khiển linh hoạt, phản ứng nhanh và tăng khả năng truyền tải công suất hiệu quả hơn so với tụ bù nối tiếp truyền thống hoặc TCSC.

  2. Bộ điều khiển ANFIS hoạt động như thế nào trong hệ thống điện?
    ANFIS kết hợp mạng nơ-ron và logic mờ để điều khiển thích nghi, tự động điều chỉnh các tham số dựa trên dữ liệu huấn luyện. Trong hệ thống điện, ANFIS giúp thiết bị bù như SSSC phản ứng nhanh với các biến động tần số và điện áp, giảm dao động và nâng cao ổn định hệ thống.

  3. Tại sao cần bù công suất phản kháng ngang cho cáp ngầm 110 kV?
    Cáp ngầm có đặc tính sinh công suất phản kháng do điện dung lớn, gây ra hiện tượng quá áp dọc đường dây khi vận hành ở chế độ không tải hoặc hở mạch. Bù công suất phản kháng ngang giúp điều chỉnh điện áp, đảm bảo điện áp dọc đường dây không vượt quá giới hạn cho phép, bảo vệ thiết bị và nâng cao độ tin cậy.

  4. Hiệu quả của SSSC kết hợp ANFIS được thể hiện qua các chỉ số nào?
    Hiệu quả được thể hiện qua giảm biên độ dao động điện áp (giảm khoảng 26 mV), rút ngắn thời gian quá độ sau sự cố, duy trì ổn định công suất tác dụng và phản kháng, cũng như ổn định tần số máy phát trong các tình huống thay đổi đột ngột.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các hệ thống điện khác không?
    Có, nguyên lý và phương pháp điều khiển SSSC bằng ANFIS có thể áp dụng cho các hệ thống truyền tải điện cao áp khác có đặc điểm tương tự, đặc biệt là các hệ thống có yêu cầu cao về ổn định điện áp và khả năng truyền tải công suất trong điều kiện vận hành phức tạp.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh hiệu quả ứng dụng thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh (SSSC) kết hợp bộ điều khiển nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS) trong nâng cao độ ổn định và chất lượng điện năng cho hệ thống truyền tải 110 kV Hà Tiên – Phú Quốc.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy thiết bị bù SSSC và bộ điều khiển ANFIS giúp giảm đáng kể dao động điện áp, rút ngắn thời gian quá độ và duy trì ổn định tần số khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha.
  • Nghiên cứu đã xác định dung lượng bù công suất phản kháng ngang phù hợp cho cáp ngầm, góp phần đảm bảo điện áp dọc đường dây trong giới hạn cho phép.
  • Bộ điều khiển ANFIS với cấu trúc tối ưu giúp xử lý nhanh và chính xác, tuy nhiên cần tiếp tục tối ưu tham số để nâng cao hiệu quả điều khiển.
  • Đề xuất triển khai thực tế thiết bị SSSC kết hợp ANFIS, đồng thời nghiên cứu áp dụng các thuật toán tối ưu như PSO hoặc GA để cải thiện bộ điều khiển trong các giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện miền Nam phối hợp triển khai lắp đặt thiết bị bù SSSC và phát triển bộ điều khiển ANFIS, đồng thời theo dõi, đánh giá hiệu quả vận hành để điều chỉnh phù hợp.