Luận văn thạc sĩ về ứng dụng UPFC trong điều khiển công suất và thiết bị mạng trong hệ thống điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện ứng dụng upfc điều khiển công suất trong hệ thống điện, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Anh
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Hồ Văn Hiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Ứng Dụng UPFC Điều Khiển Công Suất Trong Hệ Thống Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
• 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ FACTS
• 2.1. TỔNG QUAN
• 2.2. LỢI ÍCH KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS
• 2.3. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ FACTS
• 2.4. MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS
• 2.4.1. Thiết bị bù VAR tĩnh (SVC)
• 2.4.2. Thiết bị bù tĩnh đồng bộ (STATCOM)
• 2.4.3. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor TCPS
• 2.4.4. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC)
• 2.4.5. Thiết bị bù dọc tĩnh đồng bộ (SSSC)
• 2.4.6. Thiết bị điều khiển đa năng UPFC
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THIẾT BỊ UPFC
• 3.2. CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG
• 3.3. MÔ HÌNH TOÁN UPFC
• 3.4. CÁC ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU CỦA UPFC
• 3.4.1. Điều kiện ban đầu
• 3.4.2. Giới hạn các biến điều khiển UPFC
• 3.5. GIỚI HẠN HOẠT ĐỘNG CỦA UPFC
• 3.6. BẢO VỆ UPFC
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG UPFC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 4.2. PHÂN BỐ CÔNG SUẤT
• 4.2.2. Các phương trình cơ bản
• 4.2.3. Các phương pháp tính phân bố công suất
• 4.2.4. So sánh các phương pháp phân bố công suất
• 4.3. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP N-R TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT
• 4.3.1. Tính toán dòng công suất thống không có UPFC
• 4.3.2. Tính toán công suất hệ thống có UPFC
• 4.3.2.1. Mô hình 1 trước khi lắp UPFC
• 4.3.2.2. Mô hình 1 sau khi lắp UPFC
• 4.3.2.3. Mô hình 2 trước khi lắp UPFC
• 4.3.2.4. Mô hình 2 sau khi lắp UPFC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về UPFC và vai trò của nó trong hệ thống điện

UPFC (Unified Power Flow Controller) là một thiết bị trong hệ thống FACTS (Flexible AC Transmission Systems) nhằm điều khiển công suất trong hệ thống điện. Thiết bị này có khả năng điều chỉnh điện áp, công suất thực và công suất phản kháng một cách đồng thời, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện. Theo nghiên cứu, UPFC có thể tối ưu hóa việc truyền tải công suất, giảm thiểu tổn thất và nâng cao độ tin cậy cho các mạng lưới điện phức tạp. "UPFC là giải pháp tối ưu cho việc điều khiển công suất trong hệ thống điện hiện đại, giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định".

1.1 Nguyên lý hoạt động của UPFC

UPFC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển dòng điện xoay chiều, cho phép điều chỉnh điện áp và công suất trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Thiết bị này bao gồm hai bộ chuyển đổi điện tử và một máy biến áp, giúp điều chỉnh và tối ưu hóa dòng công suất trong hệ thống truyền tải. "Nguyên lý hoạt động của UPFC cho phép điều chỉnh linh hoạt các thông số điện năng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điện".

II. Ứng dụng của UPFC trong điều khiển công suất hệ thống điện

Việc ứng dụng UPFC trong hệ thống điện đã chứng minh được hiệu quả trong việc điều khiển công suất, đặc biệt trong các trường hợp có tải thay đổi và nhu cầu điện năng cao. Nghiên cứu cho thấy rằng UPFC có thể cải thiện khả năng truyền tải công suất lên đến 30% so với các hệ thống truyền tải truyền thống. "Sự xuất hiện của UPFC đã mở ra những cơ hội mới trong việc quản lý và điều khiển năng lượng, đặc biệt là trong các mạng điện thông minh".

2.1 Tính toán và mô phỏng công suất với UPFC

Trong nghiên cứu, hai mô hình mạng điện đã được xây dựng để tính toán hiệu quả của UPFC. Mô hình 1 với 5 nút và mô hình 2 với 6 nút cho thấy sự cải thiện rõ rệt về dòng công suất và giảm thiểu tổn thất điện năng sau khi lắp đặt UPFC. "Kết quả cho thấy rằng việc tích hợp UPFC vào mạng lưới điện không chỉ cải thiện công suất mà còn nâng cao độ ổn định của hệ thống".

III. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về UPFC cho thấy đây là một giải pháp hiệu quả cho việc điều khiển công suất trong hệ thống điện. Việc áp dụng UPFC không chỉ giúp tối ưu hóa công suất truyền tải mà còn hỗ trợ quản lý năng lượng bền vững. Hướng phát triển tiếp theo cần tập trung vào việc nâng cao khả năng tích hợp UPFC với các công nghệ mới như mạng điện thông minh và năng lượng tái tạo. "UPFC sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện hiện đại, đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao".

3.1 Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần thực hiện thêm các nghiên cứu về khả năng kết hợp UPFC với các nguồn năng lượng tái tạo, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường. Ngoài ra, việc phát triển các công nghệ điều khiển thông minh cho UPFC sẽ là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả của hệ thống điện. "Đầu tư vào nghiên cứu và phát triển UPFC sẽ tạo ra những giải pháp bền vững cho tương lai của ngành điện".

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hệ thống điện hiện đại, sự phân bố bất cân đối giữa các trung tâm nguồn phát và các vùng phụ tải tiêu thụ luôn đặt ra thách thức kỹ thuật lớn cho công tác truyền tải điện năng. Tại Việt Nam, nguồn phát điện phụ thuộc đáng kể vào các nhà máy thủy điện quy mô lớn tập trung chủ yếu ở miền Bắc và miền Trung, dẫn đến tình trạng thừa công suất vào mùa mưa nhưng lại thiếu hụt cục bộ vào mùa khô. Để truyền tải hàng ngàn megawatt qua trục truyền tải 220kV và 500kV trải dài hơn 1.500 km nối liền ba miền Bắc, Trung, Nam, lưới điện quốc gia thường xuyên phải đối mặt với nguy cơ quá tải cục bộ, sụt giảm điện áp và tổn thất điện năng tăng cao.

Trước thực trạng đó, việc ứng dụng các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) trở thành giải pháp đột phá nhằm tối ưu hóa năng lực truyền tải của các hành lang đường dây sẵn có mà không cần xây dựng mới các tuyến đường dây tốn kém. Luận văn tập trung nghiên cứu sâu về nguyên lý hoạt động, xây dựng mô hình toán học giải tích xác lập và phát triển chương trình tính toán trào lưu công suất có tích hợp thiết bị điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC). Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ tháng 01/2013 đến tháng 06/2013.

Mục tiêu cụ thể của công trình là mô phỏng, đánh giá định lượng tác động của UPFC trên lưới điện thử nghiệm chuẩn 5 nút lắp đặt 1 bộ UPFC và lưới 6 nút lắp đặt 2 bộ UPFC thông qua phần mềm MATLAB. Kết quả nghiên cứu chứng minh UPFC giúp nâng cao biên độ điện áp nút từ mức suy giảm dưới 0.95 pu lên chuẩn định mức 1.000 pu, đồng thời giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống truyền tải từ 15% đến 25%, qua đó gia tăng độ ổn định và độ tin cậy vận hành toàn hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của luận văn được xây dựng dựa trên hai nền tảng trụ cột: Lý thuyết hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) do Viện Nghiên cứu Năng lượng Điện Mỹ (EPRI) khởi xướng từ những năm 1980 và Lý thuyết giải tích mạng điện phi tuyến ở chế độ xác lập. Trong bức tranh tổng thể của công nghệ FACTS, các thiết bị được phân chia dựa trên cấu trúc ghép nối gồm: thiết bị bù ngang như SVC, STATCOM công suất định mức 100 MVAR; thiết bị bù dọc như TCSC, SSSC; và thiết bị điều khiển phối hợp đa năng UPFC công suất lên đến 160 MVA từng được triển khai thực tế tại trạm Inez (Mỹ) hay trạm Kangjin 80 MVA (Hàn Quốc).

Về mặt mô hình hóa, nghiên cứu tiếp cận thông qua hai phương pháp chính: Mô hình nguồn áp/nguồn dòng (VSM) và Mô hình bơm công suất (PIM). Trong đó, mô hình PIM được kế thừa nhằm duy trì tính đối xứng của ma trận tổng dẫn nút. Cấu trúc vật lý của UPFC bao gồm hai bộ biến đổi nguồn áp VSC mắc kiểu lưng tựa lưng (back-to-back) và chia sẻ chung một tụ điện một chiều DC:

1. Bộ biến đổi song song (Shunt Converter): Đóng vai trò tương tự STATCOM, kết nối song song qua máy biến áp kích thích để duy trì ổn định điện áp thanh cái và cung cấp công suất tác dụng cân bằng cho mạch DC.
2. Bộ biến đổi nối tiếp (Series Converter): Đóng vai trò tương tự SSSC, kết nối nối tiếp qua máy biến áp tăng áp để bơm vào đường dây một điện áp có biên độ và góc pha điều khiển linh hoạt.

Sự kết hợp đồng thời này cho phép UPFC điều khiển độc lập và liên tục bốn thông số cốt lõi: điện áp nút, điện kháng đường dây, góc lệch pha điện áp và dòng công suất tác dụng, phản kháng thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích số trị giải tích hệ thống điện ở trạng thái xác lập. Nguồn dữ liệu nghiên cứu là các thông số chuẩn hóa của lưới điện bao gồm tổng trở kháng nhánh hình Pi tương đương, công suất tác dụng và phản kháng tại các nút phụ tải PQ, nút nguồn phát PV và nút cân bằng hệ thống (Slack bus).

Để giải hệ phương trình trào lưu công suất phi tuyến đa biến, phương pháp lặp Newton-Raphson (N-R) được lựa chọn thay thế cho phương pháp Gauss-Seidel (G-S). Lý do lựa chọn phương pháp Newton-Raphson là vì thuật toán này sở hữu đặc tính hội tụ bậc hai mạnh mẽ, số lần lặp không phụ thuộc vào độ lớn của hệ thống và đảm bảo nghiệm số chính xác cao với ngưỡng sai số hội tụ khắt khe đạt mức $10^{-12}$.

Quy trình nghiên cứu thiết lập trên hai cỡ mẫu mạng điện thực nghiệm:

• Cỡ mẫu 1: Lưới điện 5 nút thử nghiệm lắp đặt 1 bộ UPFC tại phân đoạn truyền tải chính nhằm kiểm chứng khả năng điều khiển trào lưu đơn điểm.
• Cỡ mẫu 2: Lưới điện 6 nút thử nghiệm lắp đặt 2 bộ UPFC tại các nhánh truyền tải liên kết nhằm phân tích tính tương thích và phối hợp điều khiển đa thiết bị.

Toàn bộ thuật toán mở rộng ma trận đạo hàm riêng Jacobi kết hợp điều kiện biên điện áp DC không đổi được lập trình trực tiếp trên môi trường MATLAB trong tiến trình 6 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán phân bố trào lưu công suất trước và sau khi tích hợp UPFC đã đem lại những phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, khả năng cải thiện hồ sơ điện áp nút vượt trội. Trong mô hình mạng điện 5 nút trước khi có UPFC, do đường dây truyền tải dài và mang tải nặng, điện áp tại các nút tiêu thụ xa nguồn phát bị sụt giảm nghiêm trọng xuống mức 0.942 pu. Sau khi đưa UPFC vào vận hành với chế độ điều khiển điện áp tự động, điện áp tại các nút liên kết được nâng lên và ghim chính xác tại giá trị mong muốn 1.000 pu, tương đương mức cải thiện 6.16%, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ mất ổn định điện áp cục bộ.

Thứ hai, khả năng điều tiết và phân phối lại dòng công suất tác dụng chủ động. Tại mô hình mạng điện 6 nút lắp đặt 2 bộ UPFC, dòng công suất trên các đường dây quá tải trước đây được giảm tải từ 12% đến 28%. Công suất dư thừa được chuyển dịch linh hoạt sang các hành lang truyền tải lân cận đang vận hành non tải, giúp công suất truyền tải tổng thể qua hệ thống tăng thêm 18.5% mà không làm phát nóng dây dẫn vượt giới hạn nhiệt.

Thứ ba, giảm thiểu tổn thất công suất trên lưới điện. Tổng tổn thất công suất tác dụng toàn hệ thống giảm mạnh từ 14.8 MW xuống còn 11.2 MW, đạt tỷ lệ cắt giảm tổn thất lên tới 24.32%. Đồng thời, tổn thất công suất phản kháng trên toàn tuyến cũng được kéo giảm hơn 20%, giúp cải thiện đáng kể hệ số công suất của hệ thống.

Thứ tư, tính ổn định và tốc độ hội tụ của thuật toán số. Thuật toán Newton-Raphson tích hợp ma trận Jacobi mở rộng của UPFC đạt trạng thái hội tụ tuyệt đối chỉ sau 4 đến 5 bước lặp với sai số dòng công suất cực tiểu nhỏ hơn $10^{-12}$, khẳng định tính ổn định số học xuất sắc của mô hình toán.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự chuyển biến tích cực trên là nhờ khả năng bơm nguồn áp nối tiếp có thể thay đổi liên tục cả độ lớn và góc pha của bộ biến đổi nối tiếp UPFC. Khi góc pha của điện áp nối tiếp lệch vuông góc với dòng điện dây, thiết bị hoạt động như một bộ bù kháng thích nghi; khi góc pha cùng pha hoặc ngược pha với điện áp nút, nó đảm nhiệm vai trò của máy biến áp điều chỉnh điện áp dưới tải; và khi góc pha thay đổi tự do, nó hoạt động như máy dịch pha công suất lớn.

So sánh với các nghiên cứu về thiết bị bù tĩnh SVC hay bù dọc TCSC trước đây, UPFC thể hiện ưu thế vượt trội khi loại bỏ được các khâu đóng cắt tụ cơ khí cồng kềnh, giảm thiểu phát sinh sóng hài bậc cao và kiểm soát độc lập công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q tại cùng một vị trí thanh cái.

Các dữ liệu nghiên cứu này được trình bày trực quan thông qua đồ thị cột so sánh biên độ điện áp từng nút và bảng phân bố trào lưu công suất trên các nhánh. Trong bảng kết quả, dòng công suất truyền tải trên từng nhánh, tổn thất công suất đường dây và các biến điều khiển trạng thái của UPFC như biên độ áp nối tiếp, góc pha điều khiển, công suất bơm song song đều được lượng hóa minh bạch, cung cấp bằng chứng thực nghiệm rõ ràng về hiệu quả tối ưu hóa hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị hành động cụ thể nhằm hiện đại hóa lưới điện truyền tải:

1. Triển khai lắp đặt thí điểm thiết bị UPFC với dung lượng định mức từ 100 MVA đến 150 MVA tại các nút giao cắt 220kV/500kV thường xuyên xảy ra nghẽn mạch trên trục truyền tải liên miền.

   • Chủ thể thực hiện: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) và Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT).
   • Mục tiêu: Giảm hiện tượng nghẽn mạch đường dây tối thiểu 25% và duy trì điện áp nút ổn định trong dải 0.98 - 1.02 pu.
   • Lộ trình: Hoàn thiện báo cáo khả thi kỹ thuật và triển khai dự án mẫu trong giai đoạn 2024 - 2026.

2. Tích hợp module phần mềm tính toán trào lưu công suất có UPFC vào hệ thống quản lý năng lượng SCADA/EMS tại các trung tâm điều độ.

   • Chủ thể thực hiện: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và các Trung tâm Điều độ miền.
   • Mục tiêu: Đạt thời gian phản hồi tính toán trào lưu dưới 500 mili-giây với độ tin cậy 99.9%, hỗ trợ kỹ sư điều độ ra quyết định điều khiển điện áp và trào lưu theo thời gian thực.
   • Lộ trình: Nghiên cứu, phát triển thuật toán và nghiệm thu phần mềm trong vòng 12 tháng.

3. Hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật và hệ thống rơ-le bảo vệ quá dòng chuyên dụng cho các van bán dẫn công suất cao GTO/IGBT của UPFC.

   • Chủ thể thực hiện: Viện Năng lượng phối hợp với các Ban Kỹ thuật Truyền tải điện.
   • Mục tiêu: Thiết lập thời gian tác động của khóa chuyển mạch nối tắt thứ cấp dưới 2 chu kỳ sóng cơ bản (tương đương 40 mili-giây) khi xảy ra sự cố ngắn mạch đường dây.
   • Lộ trình: Ban hành tiêu chuẩn vận hành an toàn trong vòng 18 tháng.

4. Đẩy mạnh chương trình đào tạo chuyên sâu về công nghệ FACTS và lưới điện thông minh cho đội ngũ kỹ sư vận hành hệ thống điện.

   • Chủ thể thực hiện: Các trường đại học kỹ thuật trọng điểm phối hợp cùng các Trung tâm đào tạo của ngành điện lực.
   • Mục tiêu: 100% kỹ sư vận hành lưới truyền tải chính làm chủ nguyên lý mô hình hóa và điều khiển các thiết bị điện tử công suất lớn.
   • Lộ trình: Tổ chức các khóa huấn luyện định kỳ hàng năm bắt đầu từ quý 1 năm sau.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn sau:

1. Kỹ sư quy hoạch và điều độ hệ thống điện tại EVN, EVNNPT và các công ty tư vấn điện lực:

   • Lợi ích: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn mực về mô hình hóa PIM và VSM để giải quyết triệt để các bài toán giải tỏa công suất, chống nghẽn mạch và giảm tổn thất kỹ thuật trên hệ thống truyền tải điện 220kV - 500kV.
   • Tình huống sử dụng: Ứng dụng trong việc lập đề án quy hoạch phát triển lưới điện khu vực và phân tích ổn định hệ thống điện thực tế.

2. Nhóm chuyên gia phát triển phần mềm mô phỏng hệ thống điện (EMS, SCADA, PSS/E):

   • Lợi ích: Khai thác cấu trúc thuật toán giải tích Newton-Raphson cải tiến và phương pháp cập nhật ma trận Jacobi mở rộng viết bằng mã lệnh MATLAB để nhúng vào các công cụ phân tích trào lưu công suất thương mại.
   • Tình huống sử dụng: Nâng cấp các module tính toán tĩnh và bán thời gian thực cho phần mềm điều độ lưới điện thông minh.

3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Thiết bị mạng và Nhà máy điện:

   • Lợi ích: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, học tập chuyên khảo về ứng dụng điện tử công suất trong hệ thống điện công nghiệp và truyền tải điện xoay chiều linh hoạt.
   • Tình huống sử dụng: Kế thừa mô hình toán học để phát triển các đề tài nghiên cứu mở rộng về ổn định động, điều khiển bền vững hoặc tối ưu hóa vị trí đặt thiết bị FACTS.

4. Các đơn vị đầu tư và quản lý dự án nguồn năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời quy mô lớn):

   • Lợi ích: Nắm bắt giải pháp công nghệ điều khiển điện áp và trào lưu công suất linh hoạt nhằm đáp ứng tiêu chuẩn đấu nối lưới điện quốc gia và chống sụt áp tại các điểm đấu nối chung.
   • Tình huống sử dụng: Lập phương án kỹ thuật tích hợp nguồn điện phân tán công suất hàng trăm megawatt vào lưới điện truyền tải khu vực.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị UPFC có điểm gì khác biệt so với các thiết bị FACTS truyền thống như SVC hay TCSC?

   • Trả lời: Khác với SVC chỉ thực hiện bù ngang công suất phản kháng hoặc TCSC chỉ bù kháng nối tiếp theo cấp, UPFC là thiết bị FACTS hoàn chỉnh nhất kết hợp cả bộ biến đổi nối tiếp và song song qua tụ DC. Cấu trúc này cho phép UPFC điều khiển đồng thời và độc lập cả điện áp nút, tổng trở đường dây và góc lệch pha truyền tải, mang lại khả năng kiểm soát trào lưu công suất đa năng và toàn diện.

2. Tại sao phương pháp Newton-Raphson được ưu tiên sử dụng hơn phương pháp Gauss-Seidel khi tính toán trào lưu có UPFC?

   • Trả lời: Phương pháp Newton-Raphson sở hữu đặc tính hội tụ bậc hai vượt trội, chỉ cần từ 4 đến 5 bước lặp để đạt ngưỡng sai số chính xác $10^{-12}$ trên hệ thống điện phức tạp. Ngược lại, phương pháp Gauss-Seidel có tốc độ hội tụ tuyến tính rất chậm, đòi hỏi hàng trăm bước lặp và rất dễ bị phân kỳ khi trong mạng điện xuất hiện các nút điều khiển phi tuyến của bộ biến đổi UPFC.

3. Ràng buộc bảo toàn công suất của liên kết một chiều DC trong mô hình UPFC được thiết lập như thế nào?

   • Trả lời: Do tụ điện DC trong UPFC chỉ đóng vai trò tích lũy năng lượng đệm mà không phát hay tiêu thụ công suất tác dụng, nên tổng công suất tác dụng trao đổi giữa bộ biến đổi song song và bộ biến đổi nối tiếp phải triệt tiêu lẫn nhau khi bỏ qua tổn thất. Phương trình ràng buộc này đảm bảo điện áp thanh cái một chiều luôn giữ mức hằng số trong suốt quá trình vận hành xác lập.

4. UPFC giúp giảm tổn thất công suất tác dụng trên đường dây truyền tải bằng cơ chế nào?

   • Trả lời: UPFC bơm một điện áp nối tiếp điều chỉnh được vào đường dây, làm thay đổi góc lệch điện áp tương đương giữa hai đầu đoạn tuyến và điều phối dòng công suất dịch chuyển từ các tuyến dây mang tải nặng, điện trở lớn sang các nhánh truyền tải có độ dự trữ cao. Kết quả thực nghiệm trên mô hình cho thấy tổng tổn thất công suất tác dụng toàn hệ thống giảm tới 24.32%.

5. Thiết bị UPFC được bảo vệ an toàn như thế nào khi xảy ra ngắn mạch trên hệ thống điện?

   • Trả lời: Khi xuất hiện dòng ngắn mạch vượt quá giới hạn chịu đựng của van bán dẫn GTO, hệ thống sẽ kích hoạt tức thời khóa nối tắt bán dẫn thyristor ở phía thứ cấp máy biến áp nối tiếp để chuyển hướng dòng sự cố. Nếu sự cố kéo dài quá 3 chu kỳ, khóa cơ khí nối tắt phía sơ cấp sẽ tự động đóng lại để cô lập hoàn toàn bộ biến đổi nối tiếp khỏi dòng ngắn mạch nguy hiểm.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích xác lập toàn diện cho thiết bị UPFC tích hợp vào thuật toán trào lưu công suất Newton-Raphson trên nền tảng phần mềm MATLAB.
• Nâng cao chất lượng điện áp hệ thống vượt bậc, kéo biên độ điện áp tại các nút tải xa nguồn từ mức sụt áp 0.942 pu lên chuẩn định mức 1.000 pu.
• Tối ưu hóa phân bố dòng công suất trên lưới truyền tải, giúp giảm nghẽn mạch từ 12% đến 28% trên các phân đoạn xung yếu và cắt giảm tổng tổn thất công suất tác dụng toàn hệ thống tới 24.32%.
• Chứng minh độ hội tụ số học tin cậy cao của thuật toán với số bước lặp hội tụ dưới 5 vòng ở ngưỡng sai số khắt khe $10^{-12}$.
• Mở ra cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc ứng dụng các thiết bị điều khiển FACTS hiện đại vào công tác quy hoạch, điều độ và vận hành hệ thống điện Việt Nam.

Về định hướng phát triển trong lộ trình 6 đến 12 tháng tiếp theo, đề tài khuyến nghị mở rộng nghiên cứu sang bài toán ổn định quá độ, đánh giá ảnh hưởng của UPFC trong chế độ sự cố động và ứng dụng các giải thuật tối ưu hóa thông minh như thuật toán di truyền (GA) hay tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để xác định vị trí và dung lượng lắp đặt tối ưu cho thiết bị UPFC trên lưới điện thực tế.

Quý độc giả, kỹ sư điều độ và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ bộ môn Hệ thống Điện hoặc tra cứu toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để ứng dụng mô hình vào các bài toán kỹ thuật chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hệ thống điện là sự kết nối của các máy phát đến các trung tâm tải thông qua đường dây truyền tải cao áp. Nó được chia thành 3 hệ thống con: hệ thống phát, hệ thống truyền tải và hệ thống phân phối. Tuy nhiên cả 3 hệ thống này đều có đặc điểm và vị trí địa lý khác nhau. Với đặc điểm địa lý tự nhiên, có thể chia hệ thống điện nước ta thành 3 hệ thống điện miền: - Hệ thống Điện miền Bắc: bao gồm các tỉnh miền Bắc từ Hà Tĩnh trở ra; - Hệ thống điện miền Trung: bao gồm các tỉnh duyên hải miền Trung từ Quảng Bình đến Khánh Hoà và bốn tỉnh Tây Nguyên Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Đắc Nông; - Hệ Thống Điện miền Nam: bao gồm các tỉnh Nam Bộ và các tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận, Lâm Đồng.

Nguồn phát chủ yếu của là nước ta là thủy điện, tập trung ở những khu vực nhất định. Do đó, sẽ dẫn đến các khu vực này thừa công suất vào mùa mưa và thiếu hụt công suất vào mùa nắng, để đảm bảo cung cấp công suất cho các vùng phụ tải lớn ta cần xây dựng hệ thống truyền tải công suất cao, ổn định và tin cậy. Thiết bị điều khiển FACTS ra đời vào cuối những năm 1980 với chức năng chính là: tăng khả năng truyền tải và giữ dòng công suất trong giới hạn quy định trên đường dây truyền tải [13]. Nên việc nghiên cứu lựa chọn thiết FACTS ứng dụng vào hệ thống điện Việt Nam là rất cần thiết và cũng là mục tiêu đề tài hướng tới.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Nghiên cứu và tìm hiểu vai trò của các thiệt bị UPFC trong việc điều khiển hệ thống điện, xây dựng mô hình tính toán của thiết bị sử dụng cho bài toán giải tích mạng điện.

Xây dựng chương trình Matlab và thực hiện tính toán, mô phỏng hệ thống điện trước và sau khi lắp đặt thiết bị để đánh giá tác động của thiết bị đến dòng công suất trên đường dây truyền tải.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu, tìm hiểu các thiết bị FACTS, đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động và mô hình toán của thiết bị UPFC. Tính toán hệ thống điện ở chế độ xác lập khi sử dụng UPFC, xem xét ảnh hưởng của UPFC đền việc điều khiển dòng công suất trong hệ thống điện.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI Các kết quả thu được từ đề tài nhầm tìm hiểu sâu về nguyên lý hoạt động và khả năng điều khiển của UPFC trong hệ thống điện. Nghiên cứu sử dụng UPFC nâng cao khả nâng truyền tải công suất trên đường dây, tăng độ tin cậy, ổn định và cân bằng dòng công suất trong hệ thống điện. 3 Chương 2 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ FACTS 2.1 TỔNG QUAN Việc sử dụng lợi ích của điện được bắt đầu cuối năm 1890 [18] khi đèn hồ quang được sử dụng làm đèn hải đăng và đèn đường.

Hệ thống điện hoàn chỉnh đầu tiên được Thomas Edison xây dựng tại New York vào năm 1882 [18]. Hệ thống DC này bao gồm máy phát điện DC chạy bằng hơi nước, cấp điện cho 59 tải trong bán kính 1,5km chủ yếu thắp sáng, điện áp 110V. Vài năm sau đó thì các hệ thống tương tự đưa vào vận hành ở hầu hết các thành phồ lớn trên thế giới. Nhưng do hệ thống DC bị giới hạn khoảng cách truyền tải và để giữa cho tổn thất công suất (I2R) và sụt áp trong mức cho phép đối đòi hỏi cấp điện áp phải cao đối với những hệ thống truyền tải dài.

Đến năm 1980 có cuộc cạnh đấu tranh lợi ít khi tiêu chuẩn hóa hệ thống điện công nghiệp theo AC hay DC. Sau gần thế kỉ thì hệ thống AC đã được lựa chọn. FACTS hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt. Khái niệm FACTS được đề xuất bởi Viện Nghiên cứu Năng lượng Mỹ (EPRI) năm 1980 [11], [16] với hai chức năng chính là: tăng khả năng truyền tải của hệ thống và giữ dòng công suất trong mức quy định.

Hiện nay, để nâng cao khả năng truyền tải trên đường dây một số biện pháp thường sử dụng là bù ngang và bù dọc bằng điện kháng hoặc điện dung cố định hoặc điều khiển theo cấp. Công nghệ FACTS ra đời cuối thập niên 80 đã giúp quá trình điều khiển dòng công suất linh hoạt hơn. Các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCR, TCSC, STATCOM và UPFC… Các thiết bị FACTS ngày càng được phổ biến như: Thiết bị FACTS đầu tiên được lắp đặt tại Mỹ là bộ STATCOM công suất  100MVAR của Công ty điện lực Mỹ (TVA) [3], tiếp theo bộ UPFC đầu tiên công suất 160MVA được lắp đặt tại 4 trạm Inez bang Kentucky của Mỹ vào năm 1997 [1]-[2], và UPFC công suất 80MVA được lắp ở trạm Kangjin Hàn Quốc năm 2003 [7], ngoài ra còn có SSSC công suất 100MVA được lắp được lắp ở trạm Marcy trung tâm New York [14]… Qua những dự án trên cho thấy thiết bị FACTS các thiết bị đã được sử dụng điều khiển dòng công suất trên hệ thống điện từ lâu, đồng thời với sự phát triển của ngành điện tử công suất chế tạo thiết bị điện tử công suất lớn 4500V6000V, 4000A6000A [3] đáp ứng cho đường dây công suất lớn.2 LỢI ÍCH KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS Công nghệ FACTS ra đời đã thực sự thu hút đối với nhừng nhà hoạch định truyền tải, mở ra cơ hội mới trong việc điều khiển dòng công suất và nâng cao khả năng vốn có của đường dây hiện tại, cũng như đường dây cải tạo và đường dây mới. Các thiết bị FACTS có thể điều khiển các thông số có ảnh hưởng đến đường dây truyền tải bao gồm: trở kháng nối tiếp, trở kháng song song, dòng điện, điện áp, góc pha và giảm dao động ở tần số thấp dưới tần số định mức [8],[12],[16].

Thiết bị FACTS làm cho đường dây truyền tải mang công suất gần giới hạn phát nóng của nó. Các thiết bị điều khiển FACTS có thể áp dụng riêng lẻ hay kết hợp với nhau để điều khiển một hay nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thống như đã trình bày ở trên bởi vì chúng áp dụng kỹ thuật cơ bản như nhau.3 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ FACTS Cùng với sự phát triển kỹ thuật điện tử công suất lớn ngày càng có nhiều thiết bị FACTS được thiết kế và áp dụng. Các thiết bị FACTS khác nhau có mô hình vật lý và thông số điều khiển khác nhau, và điều khiển công suất khác nhau [11]. Nhìn chung các mô hình trạng thái xác lập của FACTS có thể phân thành 2 loại [11]: Mô hình tách rời và mô hình kết hợp.

Mô hình tách rời những thiết bị FACTS thường được thay thế bằng nút ảo PV hoặc nút PQ, thường làm thay đổi cấu trúc ma trận J. 5 Mô hình kết hợp bao gồm 2 mô hình chính [11]: mô hình nguồn áp/dòng (VSM) và mô hình bơm công suất (PIM). Mô hình VSM được xây dựng như nguồn áp/dòng bơm vào nối tiếp hoặc song song theo nguyên tắc hoạt động của thiết bị; do đó nó có thể đại diện cho thiết bị tương ứng cách trực quan. Tuy nhiên mô hình SVM làm mất đặc tính đối xứng ma trận nạp.

Mô hình PIM được phát triển từ mô hình SVM bởi Han năm 1982 [11]. Với việc chuyển đổi nguồn áp/dòng bơm vào thành công suất bờm vào thanh cái liên quan, PIM giữ được đặc tính đối xứng ma trận nạp với ưu thế này nên mô hình PIM được mở rộng đến tất cả các thiết bị FACTS. Dựa vào đặc tính trạng thái xác lập có thể chia FACTS thành 3 loại như trong Bảng 2. Phân loại thiết bị FACTS Chức Công suất bơm vào Mục tiêu Biến năng Thiết bị Nhóm điều điều trạng thái Biến Bơm công FACTS khiển khiển xác lập kiểm suất không soát kiểm soát Bộ điều SVC Điều khiển chỉnh điện VI QII(inj) IS song áp STATCOM song TCPS  Điều Bộ điều khiển QIL(inj), TCSC xc khiển nối PL PI(inj) dòng công QJ(inj) tiếp suất thực SSSC VC Điều khiển Bộ điều PI(inj), công suất VT,T, khiển kết PL, QL, VI QIL(inj), QJ(inj) UPFC thực, Iq hợp QII(inj) kháng và điện áp 6 Để phát triển phương pháp điều khiển linh hoạt dòng công suất cho các thiết bị FACTS, đầu tiên dựa vào mô hình PIM, mô hình thiết bị FACTS dùng trong việc điều khiển dòng công suất xây dựng dựa trên phân loại của chúng.4 MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS 2.1 Thiết bị bù VAR tĩnh (SVC) 2.1 Giới thiệu Thiết bị SVC lần đầu tiên được dùng bù cho những tải thay đổi nhanh như các nhà máy luyện thép, hồ hồ quang.

Ở đây SVC được dùng cải thiện hệ số công suất và cân bằng dòng điện phía nguồn bắt cứ khi có yêu cầu. Việc ứng dụng bù trên đường dây truyền trải được thực hiện vào cuối những năm 70 [14]. Với mục tiêu chính là: - Tăng công suất truyền tải trên đường dây dài; - Tăng ổn định bằng cách điều chỉnh điện áp tác dụng nhanh; - Giảm dao động tần số thấp do chế độ quay (rotor); - Giảm dao động tần số không đồng bộ do chế độ xoắn; - Điều khiển qua điện áp động. SVC là thiết bị điều khiển điện áp đường dây truyền tải nhanh chóng và đáng tin cậy.

Với thời gian đáp ứng trung bình nhanh hơn rất nhiều so với thiết bị dùng cơ. Ngoài ra, nó cũng có thể được dùng để giảm dao động công suất trong hệ thống. Khi điện áp hệ thống giảm xuống thấp, SVC phát công suất kháng bù vào. Khi điện áp lên cao, SVC lại hút bớt phần công suất kháng này.

Công suất kháng được điều chỉnh thay đổi bằng cách đóng cắt các tụ điện và điện kháng kết nối vào thứ cấp máy biến áp. Mỗi tụ điện được đóng/cắt bằng van Thyristor (TSC). Các điện kháng cũng có thể được đóng/cắt hoặc điều khiển bằng thyristor (TSR). Các thành phần chính của SVC được thể hiện trong Hình 2.2 Cấu tạo Một SVC được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: Thành phần cảm kháng có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành.

Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor, các cửa đóng mở (GTO). Mô hình SVC có 2 hoại: - Tụ cố định – Bộ kháng điều khiển Thyristor (FC-TCR); - Tụ đóng mở bằng Thyristor – Bộ kháng điều khiển Thyristor (TSC- TCR). Loại thứ hai linh hoạt hơn loại đầu và yêu cầu phạm vi hoạt động bộ kháng nhỏ hơn, phát sinh hồ quang ít. Sơ đồ SVC Các thành phần chính của SVC:  Bộ kháng điều chỉnh bằng thyristor (TCR): Có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.