Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Ứng Dụng Tụ Bù Nối Tiếp SSSC Cho Hệ Thống Truyền Tải 110kV

Hệ thống điện hiện đại đòi hỏi khả năng truyền tải công suất lớn và độ tin cậy cao. 68 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2018.

• Tác giả: Hồ Văn Luận
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Tụ Bù Nối Tiếp Sssc Trong Hệ Thống Truyền Tải 110kV
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Pa cố
• 1.3. Ứng dụng của thiết bị FACTS trong hệ thống điện
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Bù nối tiếp đường dây truyén tai
• 2.2. Nguồn điện áp đồng bộ
• 2.3. Bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh (SSSC)
• 2.4. Mô hình một pha của SSSC [9]
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CÁP NGẦM XUYÊN BIỂN 110KV HÀ TIÊN — PHÚ QUỐC
• 3.1. Tọa độ các điểm mốc trén tuyén RPL (Route Position List)
• 3.2. Mô tả hung tuyén
• 3.3. Giải pháp lắp đặt kháng bù
• 3.3.1. Khảo sát điện áp dọc đường dây khi không có khang bt ngang
• 3.3.2. Khảo sát điện áp dọc đường dây với các mức bù khi hở mạch 1 đầu
• 3.4. Kiến nghị lựa chọn thiết bị kháng bù ngang cho đường dây cáp ngầm
• 3.5. Hiệu chỉnh quy mô lắp đặt kháng bù theo quyết định phê duyệt số 0223/QĐ-BCT ngày 14/01/2011 của Bộ Công Thương
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG ANFIS ĐIỀU KHIỂN SSSC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN HÀ TIÊN — PHÚ QUỐC
• 4.1. Giới thiệu chung về ANFIS
• 4.2. Ứng dụng ANFIS điều khiển SSSC
• 4.3. Mô phỏng trên hệ thống điện 110kV Hà Tiên — Phú Quốc
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tụ bù nối tiếp SSSC trong lưới điện

Hệ thống điện hiện đại đòi hỏi khả năng truyền tải công suất lớn và độ tin cậy cao. Các phương pháp bù truyền thống sử dụng tụ điện và cuộn cảm đóng cắt bằng thyristor thường bộc lộ nhiều điểm nghẽn. Tụ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh SSSC ra đời như một giải pháp đột phá thuộc công nghệ FACTS thế hệ thứ hai. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý nguồn điện áp đồng bộ SVS ghép nối tiếp với đường dây qua biến áp chèn. Khác với tụ bù điều khiển bằng thyristor TCSC chỉ thụ động thay đổi giá trị dung kháng, SSSC chủ động phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng bằng cách điều khiển biên độ và góc pha của điện áp bơm. Nguồn điện áp SVS vận hành tương đương máy điện quay đồng bộ lý tưởng không có quán tính cơ học. Tốc độ đáp ứng của hệ thống đạt mức tức thời trong từng chu kỳ lưới. Nhờ tích hợp tụ DC lưu trữ năng lượng, SSSC trao đổi công suất phản kháng liên tục mà không làm méo dạng sóng điện áp. Cơ chế vận hành độc lập này giúp thiết bị duy trì điện áp bơm ổn định ngay cả khi dòng tải suy giảm mạnh.

1.1. Cấu trúc phần cứng cơ bản của thiết bị SSSC

Cấu trúc phần cứng của SSSC bao gồm ba khối chức năng cốt lõi. Khối thứ nhất là bộ biến đổi nguồn áp VSC sử dụng van bán dẫn công suất cao như IGBT hoặc GTO. Khối thứ hai là tụ điện một chiều DC đóng vai trò lưu trữ năng lượng và duy trì mức điện áp ổn định cho nghịch lưu. Khối thứ ba là máy biến áp chèn nối tiếp chịu trách nhiệm ghép điện áp từ bộ biến đổi vào trực tiếp đường dây truyền tải. Ngoài ra, hệ thống trang bị mạch bảo vệ chống quá áp và van chuyển mạch bypass nhanh. Khi xuất hiện sự cố ngắn mạch, bộ ngắt mạch phụ trợ sẽ lập tức cách ly thiết bị nhằm bảo toàn linh kiện bán dẫn. Sơ đồ khối gọn nhẹ giúp thiết bị lắp đặt thuận tiện tại trạm biến áp.

1.2. Nguyên lý bơm điện áp đồng bộ SVS độc lập

Nguyên lý trọng tâm của SSSC nằm ở việc tạo nguồn điện áp xoay chiều đồng bộ SVS. Điện áp bơm vào đường dây có tần số cơ bản bằng tần số lưới. Góc pha của điện áp này được giữ vuông góc chính xác 90 độ so với dòng điện chạy trên dây dẫn. Khi điện áp bơm trễ pha 90 độ so với dòng điện, SSSC mô phỏng một điện kháng dung thuần túy. Hiện tượng này làm giảm tổng trở kháng cảm ứng của đường dây và tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng. Ngược lại, khi điện áp bơm sớm pha 90 độ, thiết bị đóng vai trò như một cuộn cảm nối tiếp làm hạn chế dòng ngắn mạch. Quá trình trao đổi năng lượng phản kháng diễn ra khép kín nội bộ, không đòi hỏi nguồn cấp bên ngoài.

II. Thách thức vận hành và hạn chế của tụ bù nối tiếp SSSC

Vận hành đường dây truyền tải điện áp cao luôn đối mặt với hiện tượng suy giảm điện áp và dao động công suất. Khi phụ tải tăng cao đột ngột, sụt áp trên đường dây diễn ra nghiêm trọng, đẩy hệ thống tới giới hạn bền nhiệt và giới hạn ổn định tĩnh. Các thiết bị bù truyền thống dựa trên thyristor như TCSC phụ thuộc chặt chẽ vào độ lớn dòng điện đường dây. Khi dòng tải giảm thấp, dung kháng bù suy giảm theo khiến hiệu quả cải thiện điện áp bị triệt tiêu đáng kể. Ngược lại, việc ứng dụng tụ bù nối tiếp SSSC giải quyết được nhược điểm phụ thuộc dòng tải nhưng lại nảy sinh thách thức kỹ thuật mới. Bộ nghịch lưu điện áp VSC tạo ra các thành phần sóng hài bậc cao gây méo dạng điện áp lưới. Nếu không có bộ lọc chuẩn xác, tổn hao truyền tải sẽ gia tăng và làm nóng các thiết bị lân cận. Hơn nữa, tính chất phi tuyến của đường dây truyền tải dài gây khó khăn lớn cho việc xác định điểm làm việc tối ưu. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân PI kinh điển khó đáp ứng tốt khi hệ thống xảy ra biến động tải cực đoan hoặc sự cố đột ngột.

2.1. Hiện tượng nghẽn mạch và suy giảm ổn định điện áp

Hiện tượng nghẽn mạch xảy ra khi công suất truyền tải chạm ngưỡng công suất giới hạn của đường dây. Sự gia tăng trở kháng cảm ứng kéo theo tổn thất điện áp lũy tiến dọc hành lang truyền tải. Góc lệch pha giữa hai đầu thanh cái mở rộng làm suy giảm trầm trọng biên độ ổn định động học. Đối với các đường dây cáp ngầm vượt biển có dung kháng ký sinh lớn, dao động sóng điện từ diễn ra phức tạp hơn bình thường. Khi chế độ phụ tải thay đổi liên tục giữa giờ cao điểm và thấp điểm, điện áp tại các nút nhận biến động mạnh. Tình trạng này làm gián đoạn nguồn cung cấp điện và đe dọa sự an toàn của toàn bộ mạng lưới truyền tải.

2.2. Nhược điểm của giải pháp bù phản kháng truyền thống

Các hệ thống bù truyền thống như tụ bù ngang hoặc tụ bù dọc cố định có nhiều nhược điểm cố hữu. Tụ bù cố định không thể thay đổi giá trị dung kháng một cách mượt mà theo thời gian thực. Tụ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor TCSC có khả năng điều chỉnh liên tục nhưng phụ thuộc trực tiếp vào biên độ dòng điện đường dây. Khi dòng điện qua dây giảm mạnh, điện áp rơi trên tụ TCSC cũng suy giảm theo. Do đó khả năng trợ lực điện áp của TCSC gần như biến mất ở chế độ non tải. Bên cạnh đó, các thiết bị này tiềm ẩn nguy cơ gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR làm hư hỏng trục máy phát. Chi phí bảo dưỡng cũng tương đối tốn kém.

III. Giải pháp điều khiển ANFIS cho tụ bù nối tiếp SSSC

Hệ thống suy luận mờ thích nghi trên mạng nơ-ron ANFIS mang đến giải pháp điều khiển ưu việt cho tụ bù nối tiếp SSSC. Bộ điều khiển kết hợp sự linh hoạt của logic mờ với năng lực tự học của mạng nơ-ron nhân tạo. Thuật toán xử lý trơn tru các đặc tính phi tuyến và bất định trong mô hình lưới điện. Cấu trúc ANFIS bao gồm các lớp nơ-ron thực hiện chức năng mờ hóa, áp dụng luật hợp thành và giải mờ chính xác. Dữ liệu huấn luyện và kiểm tra được thu thập từ mô phỏng các chế độ vận hành điển hình trên phần mềm chuyên dụng. Quá trình kiểm tra sai số mẫu giúp loại bỏ nguy cơ quá khớp dữ liệu trong khi huấn luyện FIS. Bộ điều khiển ANFIS trực tiếp điều chỉnh biên độ và góc bắn xung của bộ biến đổi nguồn áp VSC. Hệ thống phản hồi nhanh trước mọi độ lệch công suất hoặc biến thiên tần số. Nhờ vậy, SSSC duy trì điện áp bù tức thời, triệt tiêu dao động công suất và nâng cao tính ổn định tổng thể của toàn mạng điện.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển nơ ron mờ thích nghi ANFIS

Thiết kế bộ điều khiển ANFIS bắt đầu từ việc lựa chọn các biến đầu vào trọng yếu. Hai biến đầu vào phổ biến gồm độ lệch công suất tác dụng và tốc độ thay đổi góc pha. Hệ thống sử dụng bộ soạn thảo ANFIS GUI để khởi tạo mạng suy luận mờ kiểu Sugeno. Thuật toán học lai kết hợp giữa phương pháp bình phương tối thiểu và lan truyền ngược gradient giúp tối ưu hóa thông số các hàm liên thuộc. Quá trình tinh chỉnh này giúp luật mờ thích nghi hoàn hảo với mọi biến động tải. Cấu trúc mạng gồm năm tầng tính toán độc lập thực hiện trơn tru các phép tính logic. Tín hiệu đầu ra là điện áp điều khiển cung cấp trực tiếp cho khâu tạo xung điều chế PWM của bộ nghịch lưu.

3.2. Thu thập dữ liệu và kiểm định mô hình huấn luyện

Hiệu năng của mô hình ANFIS phụ thuộc chặt chẽ vào chất lượng tập dữ liệu huấn luyện. Quá trình thu thập mẫu được tiến hành thông qua việc giả lập đa dạng kịch bản vận hành trên lưới. Tập dữ liệu bao gồm các thông số trạng thái ở chế độ bình thường, quá tải và ngắn mạch. Dữ liệu sau đó được phân tách thành hai phần riêng biệt gồm tập huấn luyện và tập kiểm tra. Việc sử dụng tập kiểm tra độc lập giúp xác thực độ chính xác và ngăn ngừa hiện tượng học quá mức. Sai số bình phương trung bình trên tập kiểm tra đóng vai trò làm tiêu chí dừng quá trình huấn luyện. Sau khi vượt qua kiểm định, bộ điều khiển bảo đảm khả năng suy đoán chính xác.

IV. Hiệu quả ứng dụng tụ bù nối tiếp SSSC tại Hà Tiên Phú Quốc

Tuyến truyền tải 110kV Hà Tiên - Phú Quốc giữ vai trò huyết mạch cung cấp điện từ đất liền ra đảo ngọc. Tuyến đường dây kết hợp đoạn cáp ngầm ngập biển dài và đường dây trên không, tạo nên đặc tính dung kháng và cảm kháng phức tạp. Việc ứng dụng tụ bù nối tiếp SSSC mang lại cải thiện đột phá cho độ ổn định điện áp toàn tuyến. Kết quả mô phỏng cho thấy SSSC điều khiển bằng ANFIS giúp giữ vững điện áp thanh cái tại các trạm nhận trong giới hạn cho phép. Khả năng truyền tải công suất tác dụng trên tuyến cáp ngầm tăng lên đáng kể mà không cần nâng cấp dây dẫn. Thiết bị nhanh chóng dập tắt các dao động công suất phát sinh sau sự cố ngắn mạch thoáng qua. Nhờ nguồn điện áp bù tức thời, tổn thất điện năng trên đường dây giảm rõ rệt trong các khung giờ cao điểm du lịch. Thành công của mô hình khẳng định tính khả thi cao của công nghệ FACTS trong việc tối ưu hóa hạ tầng điện lưới biển đảo.

4.1. Đánh giá tính ổn định trên tuyến cáp ngầm 110kV

Tuyến cáp ngầm 110kV xuyên biển sở hữu dung dẫn ký sinh lớn, dễ gây quá điện áp ở trạng thái không tải. Khi vận hành đầy tải, sụt áp tại đầu trạm biến áp Phú Quốc lại tăng cao. Thiết bị SSSC thể hiện khả năng điều tiết linh hoạt ở cả hai chế độ cực đoan này. Ở chế độ non tải, SSSC bơm điện áp sớm pha để tăng trở kháng cảm ứng tương đương, triệt tiêu điện áp dư thừa do hiệu ứng Ferranti. Ở chế độ đầy tải, thiết bị chuyển sang chế độ bù dung để duy trì ổn định điện áp nút nhận. Sự chuyển đổi linh hoạt diễn ra êm thuận trong vài phần nghìn giây. Chất lượng điện năng cung cấp cho phụ tải trên đảo nhờ đó luôn đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

4.2. Tiềm năng mở rộng công nghệ FACTS cho lưới điện quốc gia

Nghiên cứu ứng dụng SSSC tại tuyến Hà Tiên - Phú Quốc tạo tiền đề quan trọng cho việc nhân rộng các thiết bị FACTS trên diện rộng. Khi tỷ lệ các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và mặt trời tăng cao, lưới điện truyền tải Việt Nam sẽ đối mặt với nhiều biến động tần số bất thường. Thiết bị SSSC với khả năng điều khiển hai chiều chủ động mở ra phương án gia cố độ ổn định lưới điện mà không cần kéo thêm đường dây mới. Việc kết hợp điều khiển thông minh ANFIS giúp các trạm biến áp vận hành tự động và giảm thiểu can thiệp thủ công. Đây là định hướng then chốt nhằm hiện đại hóa hệ thống điện thông minh quốc gia, tối ưu hóa chi phí đầu tư.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Huyện đảo Phú Quốc giữ vị thế chiến lược khi được định hướng phát triển thành một trong ba đặc khu kinh tế trọng điểm của cả nước, đòi hỏi hạ tầng năng lượng phải đảm bảo tính liên tục và ổn định ở mức tuyệt đối. Công trình đường dây cáp ngầm xuyên biển 110 kV Hà Tiên - Phú Quốc với chiều dài tuyến 55,813 km (tổng chiều dài cáp tính cả dự phòng đạt 58,7 km) đã chính thức đưa điện lưới quốc gia ra đảo. Tuy nhiên, tuyến cáp ngầm cao thế 3 lõi với tiết diện ruột đồng 630 mm² này lại đối mặt với thách thức kỹ thuật lớn do lượng công suất phản kháng dung tính sinh ra dọc tuyến là rất cao.

Trong các chế độ vận hành đặc thù như non tải, hòa điện hoặc khi hở mạch một đầu nhận tại trạm Phú Quốc, hiệu ứng Ferranti khiến điện áp trên đường dây gia tăng đột biến, vượt xa giới hạn an toàn cho phép là 1,1 pu. Vào năm 2014, khi nhu cầu phụ tải của huyện đảo mới ở mức khởi điểm khoảng 19,82 MW, khả năng tự tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện nội bộ hầu như không đáng kể. Tình trạng này đe dọa trực tiếp đến tuổi thọ lớp cách điện XLPE dày 15 mm của sợi cáp và sự ổn định của toàn bộ lưới điện khu vực Tây Nam Bộ.

Trước bài toán cấp bách đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện đã tập trung nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh SSSC công suất định mức 25 MVA thuộc hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng cấu trúc điều khiển nơ-ron mờ thích nghi ANFIS cho SSSC, từ đó kiểm soát linh hoạt trào lưu công suất, triệt tiêu dao động điện áp quá độ và nâng cao hệ số giảm chấn cho hệ thống truyền tải 110 kV Hà Tiên - Phú Quốc trong giai đoạn vận hành từ năm 2014 định hướng đến năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng dựa trên nguyên lý bù công suất phản kháng và công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS, tiêu biểu là mô hình nguồn điện áp đồng bộ SVS do Gyugyi đề xuất từ năm 1989. Khác với thiết bị bù nối tiếp truyền thống điều khiển bằng thyristor như TCSC vốn có trở kháng phụ thuộc vào dòng tải, thiết bị SSSC sử dụng bộ biến đổi nguồn áp VSC để bơm trực tiếp một điện áp xoay chiều có góc pha vuông góc 90 độ so với dòng điện đường dây. Cơ chế này cho phép thiết bị mô phỏng linh hoạt tính chất bù dung hoặc bù cảm hoàn toàn độc lập với dòng tải, giúp thay đổi trở kháng tương đương và điều khiển công suất truyền tải một cách tức thời.

Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng lý thuyết điều khiển thông minh thông qua mô hình hệ suy diễn nơ-ron mờ thích nghi ANFIS. Cấu trúc ANFIS bao gồm 5 lớp chức năng liên kết chặt chẽ: lớp 1 tiếp nhận tín hiệu sai lệch góc tải và độ biến thiên tốc độ góc quay; lớp 2 thực hiện mờ hóa qua hệ hàm liên thuộc; lớp 3 tính toán trọng số kích hoạt của các luật suy diễn; lớp 4 chuẩn hóa ngõ ra; và lớp 5 tổng hợp tín hiệu giải mờ. Sự kết hợp giữa khả năng biểu diễn tri thức mờ và thuật toán học lan truyền ngược giúp ANFIS tự động tối ưu hóa các tham số mà không phụ thuộc vào mô hình toán học giải tích tuyến tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số miền thời gian phi tuyến trên phần mềm chuyên dụng Matlab kết hợp bộ công cụ Simulink và SimPowerSystems. Cỡ mẫu nghiên cứu được xác lập thông qua tập dữ liệu 40 điểm mốc định vị không gian WGS-84 dọc theo 55,813 km tuyến cáp, cùng chuỗi số liệu phụ tải thực tế tại thời điểm khởi điểm năm 2014 ở mức 19,82 MW và kịch bản phát triển năm 2020. Phương pháp chọn mẫu được thực hiện theo nguyên tắc mẫu có chủ đích tại các chế độ vận hành xung yếu nhất của hệ thống: chế độ đóng điện đường dây không tải, chế độ hở mạch một đầu nhận tại phía Phú Quốc, và tình huống sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất kéo dài 0,1 giây tại thanh cái 110 kV.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phi tuyến miền thời gian xuất phát từ đặc thù phi tuyến mạnh của hệ thống điện khi tích hợp các bộ biến đổi điện tử công suất lớn và máy phát đồng bộ. Các phương pháp tuyến tính hóa tín hiệu nhỏ truyền thống hoàn toàn không thể phản ánh chính xác các hiện tượng quá độ phức tạp, dao động cơ - điện cũng như tương tác động học giữa bộ điều khiển ANFIS và mạng lưới điện ngầm trong điều kiện sự cố khắc nghiệt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích mô phỏng đem lại bốn phát hiện khoa học và kỹ thuật quan trọng đối với tuyến truyền tải 110 kV Hà Tiên - Phú Quốc:

Thứ nhất, mô phỏng chế độ xác lập khẳng định nguy cơ quá điện áp nghiêm trọng do hiệu ứng Ferranti. Khi đường cáp ngầm vận hành ở chế độ cực tiểu năm 2014 và bị hở mạch phía Phú Quốc, điện áp tại cuối tuyến vọt lên mức 1,22 pu, vượt xa ngưỡng cho phép 1,1 pu. Việc lắp đặt kháng bù ngang với dung lượng 42 MVAr tại mỗi đầu đường dây (đạt mức bù 70%) đã khống chế điện áp dọc toàn tuyến ở mức an toàn dưới 1,03 pu. Đến năm 2020, khi phụ tải trên đảo tăng trưởng, mức bù cần thiết giảm xuống còn 55%, tương ứng dung lượng 33 MVAr mỗi đầu.

Thứ hai, thiết bị SSSC công suất 25 MVA thể hiện ưu thế vượt trội trong việc điều hòa trào lưu công suất. Trong dải góc tải từ 0 đến 90 độ, SSSC có khả năng nâng cao công suất truyền tải cực đại thêm khoảng 32% so với đường dây không bù, đồng thời giữ biên độ điện áp bơm vào ổn định mà không bị sụt giảm theo dòng điện.

Thứ ba, sự kết hợp giữa SSSC và bộ điều khiển ANFIS tạo ra khả năng giảm chấn dao động xuất sắc. Khi mô phỏng sự cố ngắn mạch ba pha xảy ra tại máy phát điện tương đương ở Phú Quốc, hệ thống không có bộ điều khiển mất tới 2,8 giây để dập tắt dao động góc công suất. Ngược lại, khi kích hoạt bộ điều khiển ANFIS, thời gian quá độ rút ngắn xuống chỉ còn 0,55 giây, tương đương mức cải thiện tốc độ ổn định hơn 80%.

Thứ tư, độ lệch tần số cực đại của máy phát trong giai đoạn quá độ giảm từ 0,45 Hz xuống dưới 0,12 Hz, giúp ngăn ngừa nguy cơ kích hoạt rơ-le sa thải phụ tải tự động.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu nghiên cứu trên có thể được trực quan hóa rõ ràng qua biểu đồ miền thời gian và bảng thông số kỹ thuật. Trên biểu đồ phản ứng động học quá độ, đường đặc tính dao động khi không có bộ điều khiển ANFIS (thể hiện bằng đường màu xanh) xuất hiện các xung dao động biên độ lớn và tắt rất chậm. Trong khi đó, đường đặc tính khi tích hợp bộ điều khiển ANFIS (thể hiện bằng đường màu đỏ) có độ quá điều chỉnh giảm tới 65% và nhanh chóng xác lập lại trạng thái cân bằng. Đồng thời, bảng đối chiếu các mức bù kháng 55%, 60%, 65% và 70% phản ánh rõ nét quy luật kiểm soát điện áp dọc chiều dài 55,813 km của sợi cáp ngầm.

Sự vượt trội của ANFIS so với các bộ điều khiển kinh điển như PID nằm ở cơ chế tự thích nghi thông số hàm liên thuộc dựa trên dữ liệu học. Trong các tình huống sự cố nghiêm trọng của lưới điện, hệ số khuếch đại cố định của PID không thể bao quát hết các điểm làm việc bị trôi dạt. ANFIS khắc phục triệt để nhược điểm này bằng cách liên tục hiệu chỉnh bề rộng hàm liên thuộc hình chuông, cung cấp tín hiệu điều khiển điện áp tức thời đến mạch nghịch lưu của SSSC, từ đó bảo vệ hệ thống trước nguy cơ mất đồng bộ cục bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành có tính ứng dụng cao:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt thiết bị SSSC công suất định mức 25 MVA tại trạm 110 kV, tích hợp thuật toán điều khiển nơ-ron mờ ANFIS nhằm kiểm soát trào lưu công suất chủ động. Mục tiêu kỹ thuật cụ thể là khống chế thời gian dập tắt dao động quá độ dưới 0,6 giây khi xảy ra sự cố lưới, với lộ trình thực hiện từ 18 đến 24 tháng dưới sự chủ trì của Tổng công ty Điện lực miền Nam.

Thứ hai, tối ưu hóa phân kỳ đầu tư hệ thống bù phản kháng theo Quyết định số 0223/QĐ-BCT ngày 14/01/2011 của Bộ Công Thương. Đề xuất sử dụng các bộ kháng bù ngang có nấc điều chỉnh linh hoạt gồm 42 MVAr, 36 MVAr và 30 MVAr đặt tại phía trạm Phú Quốc kèm máy cắt chuyên dụng. Giải pháp này giúp cắt giảm từ 60% đến 70% vốn đầu tư ban đầu so với phương án thi công ngay hai mạch cáp 110 kV hoặc phương án nâng cấp lên cấp điện áp 220 kV.

Thứ ba, thiết lập hệ thống quan trắc và giám sát tự động thông số vận hành của tuyến cáp ngầm 55,813 km qua giao thức SCADA hiện đại. Định kỳ 6 tháng một lần, đơn vị quản lý vận hành cần thu thập dữ liệu tổn hao và biến thiên điện áp để tái huấn luyện tập dữ liệu mẫu cho bộ điều khiển ANFIS, đảm bảo độ chính xác dự báo luôn đạt trên 98%.

Thứ tư, xây dựng quy chế phối hợp vận hành liên động giữa nguồn máy phát điện tại chỗ có tổng công suất dự kiến 200 MW trên đảo Phú Quốc với đường dây cáp ngầm. Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam cần duy trì biên độ dao động điện áp thanh cái trong dải từ 0,95 pu đến 1,05 pu trong mọi khung giờ vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn phong phú cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Kỹ sư điều độ và kỹ thuật viên vận hành lưới điện: Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết và các thông số cài đặt chỉnh định mức kháng bù 42 MVAr cho đường dây cáp ngầm cao thế 110 kV. Tài liệu giúp giải quyết trực tiếp bài toán xử lý hiện tượng tăng điện áp cuối nguồn khi hở mạch hoặc non tải, nâng cao độ an toàn cho hệ thống.

Chuyên gia tư vấn thiết kế và quản lý dự án công trình điện: Các kỹ sư kinh tế năng lượng có thể tham khảo phương pháp tính toán so sánh hiệu quả giữa phương án đầu tư 1 mạch cáp 110 kV tiết diện 630 mm² với phương án 2 mạch hoặc đường dây 220 kV, từ đó tối ưu hóa nguồn vốn xây dựng cơ bản trong các dự án cáp ngầm biển.

Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện: Đề tài là tài liệu tham khảo chuẩn mực về mô hình hóa thiết bị FACTS dạng SSSC và kỹ thuật ứng dụng trí tuệ nhân tạo ANFIS trên nền tảng mô phỏng phi tuyến. Nghiên cứu sinh có thể kế thừa thuật toán để phát triển cho các thiết bị điều phối dòng công suất hiện đại khác.

Giảng viên và các cơ sở đào tạo chuyên ngành năng lượng: Luận văn đóng vai trò như một nghiên cứu tình huống thực tế điển hình phục vụ giảng dạy các học phần môn học Hệ thống điện nâng cao, Ổn định hệ thống điện và Điều khiển thông minh tại các trường đại học kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

Tuyến cáp ngầm 110 kV Hà Tiên - Phú Quốc vì sao lại đối mặt với nguy cơ quá điện áp nghiêm trọng hơn đường dây trên không?
Đường dây cáp ngầm 110 kV dài 55,813 km có điện dung ký sinh lớn hơn đường dây trên không từ 15 đến 20 lần do cấu trúc 3 lõi cách điện XLPE đặt sát nhau. Khi đường dây non tải hoặc hở mạch đầu nhận, dòng dung lớn chạy qua cảm kháng sinh ra sụt áp ngược, đẩy điện áp tại trạm Phú Quốc vọt lên tới 1,22 pu nếu không có thiết bị bù ngang hỗ trợ.

Thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh SSSC có ưu điểm gì vượt trội so với thiết bị TCSC?
Thiết bị SSSC ứng dụng bộ biến đổi nguồn áp VSC để bơm điện áp xoay chiều độc lập hoàn toàn với dòng điện truyền tải trên đường dây. Trong khi đó, điện áp bù của thiết bị TCSC tỷ lệ thuận với dòng đường dây. Do đó, khi dòng tải suy giảm, TCSC mất dần khả năng điều khiển, còn SSSC vẫn duy trì được 100% dung lượng bù mong muốn.

Vai trò quyết định của bộ điều khiển thông minh ANFIS đối với hệ thống SSSC trong nghiên cứu này là gì?
Bộ điều khiển ANFIS kết hợp ưu thế tự học của mạng nơ-ron và khả năng suy luận logic mờ, cho phép tự động điều chỉnh tham số hàm liên thuộc thích ứng theo từng trạng thái dao động phi tuyến. Trong sự cố ngắn mạch ba pha, ANFIS giúp giảm thời gian dập tắt dao động của máy phát từ 2,8 giây xuống 0,55 giây, vượt trội hoàn toàn so với bộ điều khiển PID kinh điển.

Căn cứ khoa học nào khẳng định việc lựa chọn công suất 25 MVA cho thiết bị SSSC là hợp lý?
Dung lượng 25 MVA được tính toán dựa trên mức độ thiếu hụt công suất truyền tải và biên độ dao động công suất tác dụng trong các kịch bản phụ tải cực đại giai đoạn 2014 - 2020. Mức dung lượng này đảm bảo khả năng bơm điện áp bù cần thiết để nâng công suất truyền dẫn thêm khoảng 32%, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị.

Tại sao Bộ Công Thương điều chỉnh quy mô chỉ lắp đặt kháng bù tại Phú Quốc thay vì lắp ở cả hai đầu tuyến?
Theo Quyết định số 0223/QĐ-BCT ngày 14/01/2011, việc tập trung kháng bù tại phía trạm Phú Quốc giúp giải quyết trực tiếp điểm có điện áp tăng cao nhất khi hở mạch cuối tuyến, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng trạm Hà Tiên. Phương án này vẫn đảm bảo duy trì điện áp toàn tuyến dưới ngưỡng an toàn 1,1 pu.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao tính ổn định cho tuyến truyền tải điện 110 kV Hà Tiên - Phú Quốc với năm nội dung trọng tâm:

• Làm rõ bản chất vật lý và định lượng nguy cơ quá điện áp trên tuyến cáp ngầm dài 55,813 km, đưa ra giải pháp kiểm soát điện áp dưới mức 1,1 pu.
• Xây dựng thành công mô hình thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh SSSC công suất 25 MVA kết nối vào hệ thống điện tương đương.
• Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc bộ điều khiển nơ-ron mờ thích nghi ANFIS gồm 5 lớp chức năng vận hành tối ưu trong miền thời gian phi tuyến.
• Rút ngắn thời gian dập tắt dao động quá độ khi ngắn mạch ba pha từ 2,8 giây xuống còn 0,55 giây, tương ứng mức cải thiện hệ số giảm chấn trên 80%.
• Cung cấp luận cứ kỹ thuật phục vụ phân kỳ đầu tư hệ thống bù phản kháng linh hoạt cho các mốc phụ tải năm 2014 và năm 2020.

Về mặt đóng góp, luận văn đã kết hợp nhuần nhuyễn giữa công nghệ thiết bị truyền tải linh hoạt FACTS và giải thuật trí tuệ nhân tạo, giải quyết thấu đáo bài toán ổn định điện áp cho công trình cáp ngầm xuyên biển dài nhất Đông Nam Á tại thời điểm xây dựng.

Trong lộ trình từ 12 đến 18 tháng tiếp theo, nghiên cứu cần được phát triển theo hướng thử nghiệm thực nghiệm trên hệ thống mô phỏng phần cứng trong vòng lặp HIL trước khi áp dụng vào thực tế vận hành. Các đơn vị quản lý, kỹ sư hệ thống điện và quý độc giả quan tâm có thể khai thác sâu hơn kết quả luận văn nhằm phục vụ hiệu quả cho công tác quy hoạch, phát triển năng lượng biển đảo bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cố nghiêm trọng nhất, thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lượng trong hệ thống điện. Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là nâng cao độ ổn định của điện áp và khả năng truyền tải công suất trong hệ thống điện 110kV Hà Tiên — Phú Quốc. Với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện điều khiên điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và nhanh chóng, một số nước tiên tiễn đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil. là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS.

Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là: - SVC (Static Var Compensator): B6 bù công suất phản kháng tĩnh. - UPFC (Unified Power Flow Controller): B6 diéu khiển dòng công suất hợp nhất. - STATCOM (Static Synchronous Compensator): B6 bi déng bé tĩnh. - TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): B6 bu doc điều khiển thyristor.

- SSSC (Static Synchronous Series Compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh. - HVDC (Hight Voltage Direct Current): Dòng một chiều điện áp cao.3 Ứng dụng của thiết bị FACTS trong hệ thống điện Thay đổi trở kháng của một hay nhiều nhánh trong hệ thống điện, từ đó có thể phân bố lại luồng công suất trong mạng điện. Điều này giúp hạn chế luồng công suất truyền qua những nhánh có khả năng gây nghẽn mạch. Điều khiển dòng công suất trên đường dây trong lưới điện theo ý muốn, giúp sử dụng tốt hơn hệ thống truyền tải hiện có.

Ở một số nơi, việc tăng khả năng truyền tải công suất của các đường dây có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt là những nơi có thị trường điện chưa được kiểm soát, hay những nơi mà các vị trí phát điện và tâm phụ tải có thê thay đổi. Điều này cần bổ sung các đường dây truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu điện gia tăng, nhưng lại vướng phải các ràng buộc về kinh tế, môi trường. Trong trường hợp đó, các thiết bị FACTS đáp ứng được những yêu cầu cả về kinh tế và kỹ thuật. Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải: Độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

Mặc dù các thiết bị FACTS không thể ngăn chặn sự cố, nhưng chúng có thể giảm thiểu những ảnh hưởng của sự cố và đảm bảo việc cấp điện an toàn hơn bằng cách giảm số lần đóng cắt đường dây. Ví dụ, cắt một phụ tải lớn gây ra một quá áp của đường dây và dẫn đến cắt đường dây. Tăng độ ôn định động và quá độ của lưới: Những đường dây dài liên kết các hệ thống, những tác động thay đổi phụ tải và các sự cố đường dây có thể tạo ra sự bat ổn định trong hệ thống truyền tải. Các vấn đề này cũng có thê dẫn tới giảm dòng công suất trên đường dây, dòng công suất vòng hoặc thậm chí dẫn đến cắt đường dây.

Các thiét bi FACTS lam ổn định các hệ thống truyền tải với việc tạo nâng cao công suất truyền tải và giảm nguy cơ sự cô đường dây. Tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng điện năng cao: Các ngảnh công nghiệp hiện đại phụ thuộc vào chất lượng điện cung cấp bao gồm các yêu cầu khắt khe về giao động của điện áp, tần số và không bị cắt điện. Những sự thay đổi về điện áp và tần số hay sự mất nguồn cấp có thể dẫn đến ngưng trệ trong quá trình sản xuất mà hệ quả là những tốn thất lớn về kinh tế. Các thiết bị FACTS có thể giúp cung cấp chất lượng điện năng theo yêu cầu.4 Mục tiêu đề tài Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các ứng dụng của SSSC trong điều khiển ổn định hệ thống điện.

Mô phỏng SSSC trong mạng điện để thấy được sự thay đổi dòng công suất thực tế trên đường dây, tiến tới xây dựng mô hình điều khiển cho thiết bị SSSC.5 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài Sự thay đổi trào lưu công suất trên các đường dây theo các chế độ vận hành của hệ thống. Tìm hiểu thiết bị SSSC và thiết kế bộ điều khiển nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS - Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems) cho SSSC dé nang cao dé ổn định cho lưới điện 110kV Hà Tiên — Phi Quốc.6 Phương pháp nghiên cứu Dựa vào các nghiên cứu đã công bố trên tạp chí chuyên ngành uy tín sau đó tìm hiểu ứng dụng thiết bị SSSC trong hệ thống điện thực tế và tiến hành thiết kế bộ điều khiển cho SSSC để nâng cao ổn định cho lưới điện 110kV Hà Tiên —- Phú Quốc.7 Nội dung đề tài Chương 1: Tống quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Hệ thống cáp ngầm xuyên biển Hà Tiên - Phú Quốc Chương 4: Ứng dụng ANEIS điều khién SSSC trong hệ thống điện 110kV Hà Tiên — Phú Quốc Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÉT 2.1 Bù nỗi tiếp đường dây truyền tái Mục đích của việc bù điện dung nối tiếp là giảm tổng trở kháng nối tiếp ảnh hưởng giữa hai đầu của đường dây truyền tải. Điện kháng của tụ bù nối tiếp triệt tiêu một phần của điện kháng cảm ứng đường dây thực tế, do đó, các điện kháng ảnh hướng thì giảm và ngược lại, điều này làm tăng sự truyền công suất của đường dây. Xem xét một mô hình hệ thống điện hai máy đơn giản khi không có và có một bù điện dung nối tiếp và sơ đồ pha tương ứng như trong Hình 2.

Trong mô hình này, giả định cho rằng trở kháng đường dây truyền tải là không đáng kế vì thé đường dây được đại diện bởi một điện kháng cảm ứng. Hơn nữa, nó được giả định rằng các máy ở cả hai đầu được biểu diễn bởi điện áp hinh sin biên độ không đổi ở tan số đồng bộ.1b cho thấy các tụ điện nối tiếp cung cấp một điện áp vuông góc và trễ đối với các dòng điện đường dây và điện áp dung này có phản kháng với điện áp. Có thể quan sát từ Hình 2.1b rằng dòng điện, và dòng công suất tăng trong hệ thống [1].O a I Wt 2 Vị =jLX, —.— Vs=Vs2ds Vn=Ứ xôn Es=Vs/ð& Vẹ=ỨaZÔx V a. Hé thong trước lúc bù nối tiếp | ee ie a ey Lị=jLX: 1Í “ðð6 ` i Xe X, Vs=V 5265 Vr=VrZdp b.

Hệ thống sau khi bù nối tiếp Hình 2. Sơ đồ đơn giản của một hệ thống điện hai máy và sơ đồ vector Các công suất tác dụng ở nút đầu cuối cho các hệ thống trước lúc bù trong Hình 2.1a được cho bởi VV, yr.1) xX, XxX, Với Vs và Vụ là độ lớn của điện áp đầu gửi và đầu nhận tương ứng, (giả định rằng V=Vs=Vnạ), ö (được gọi là các góc tải) là góc giữa điện áp đầu gửi và đầu nhận (5=Ss-5z) và Xu cảm kháng là đường dây truyền tải. Đối với hệ thống bù điện dung nối tiếp như trong Hình 2.1b thì 2 2 2 2 P= sins = — _ sing = —?>__ sins = ——— Siné Xy (x, -X.2) L Với Xe là điện kháng tụ điện, X,„= X¡.Xc là điện kháng ảnh hưởng, và k = X:/Xc là góc bù nối tiếp (0 < k<]).2 cho thấy công suất phản kháng đang hoạt động bình thường với các góc tải của hệ thống bù dung nối tiếp thể hiện trong Hình 2.1b như một hàm tham số của góc bù nối tiếp điện dung. Rõ ràng là bù nối tiếp làm tăng sức mạnh truyền bằng một tỷ lệ cố định cái mà truyền tải bởi đường dây không được bù ở ồ nhất định và truyền tải công suất cao hơn là đạt được bằng cách tăng góc bù.

15 k=1/3 keUs 1 Ce 054 // Ñ 0 /ˆ - \ ð[deg. Quan hệ giữa công suất được truyền tải so với các góc tai 2.2 Nguồn điện áp đồng bộ Một trong những cách để phân loại các bộ điều khiên FACTS là nhóm chúng kết hợp với sự sắp xếp mạch bên trong của chúng tức là loại được thyristor điều khiển (trở kháng thay đổi) và loại chuyên đổi. Các nguyên tắc cơ bản của hoạt động của các thyristor điều khiển các thiết bị loại FACTS là cung cấp một trở kháng phản ứng biến đổi với hệ thống điện, do đó thường thay đổi tính chất của các trở kháng hệ thống. Điều này được thực hiện bởi các tụ điện và cuộn cảm truyền thống †ạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng cần thiết cho việc bù và các thyristor chỉ được sử dụng để điều khiển đóng cắt mở và tắt các tụ điện và cuộn cảm.

Mặt khác, các loại công cụ chuyên đổi bộ điều khiển FACTS cung và hấp thụ công suất phản kháng bằng cách bơm một điện áp xoay chiều thu được từ một nguồn điện áp đồng bộ (SVS - Synchronous Voltage Source). Cách tiếp cận này, khi so sánh với các bộ điều khiển FACTS được điều khiển bằng thyristor, nói chung là cung cấp các hiệu năng cao cho điện áp truyền tải, điện kháng đường dây ảnh hưởng, và điều khiển góc. SVS có thể được coi tương tự như một mô hình lý tưởng, máy điện quay đồng bộ sản xuất một bộ được cân bằng điện áp hình sin ở tần số cơ bản, có thể điều khiển được biên độ và góc pha: tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng đề hoạt động như một tụ điện đồng bộ. Máy lý tưởng này không có quán tính, phản ứng của nó là thực tế tức thời, nó không làm thay đổi trở kháng hệ thống hiện hữu và nó có thể tạo ra công suất phản kháng bên trong (cả điện dung và cảm ứng).

Theo cách tương tự, SVS có thể hoạt động với một tụ điện lưu trữ DC tương đối nhỏ một cách tương đối đủ để trao đổi công suất phản kháng với hệ thống AC. Hơn nữa, nó có thé trao đổi công suất phản kháng với hệ thống AC nếu nó được nối với một nguồn năng lượng điên hoặc nguôồn lưu trữ DC thích hợp có thể cung cấp hoặc hấp thụ năng lượng nó cung cấp cho, hoặc hấp thụ từ hệ thống AC.3 cho thấy một đại diện chức năng của một SVS (loạt kết nói nối tiếp ở đây) trong đó bao gồm các bộ chuyền đổi điện áp nguồn (VSC), một biến thế ghép, một nguồn năng lượng tùy chọn và các thiết bị điều khiển. Các tài liệu tham khảo (các bù công suất phan khang Qyer và công suat tac dung P,.