Tài liệu Xác định vị trí đặt tcsc trong hệ thống điện truyền tải nhằm giảm hiện tượng nghẽn mạch và có xét đến ổn định tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LƯU NGUYỄN AN BÌNH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT TCSC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TRUYỀN TẢI NHẰM GIẢM HIỆN TƯỢNG NGHẼN MẠCH VÀ CÓ XÉT ĐẾN ỔN ĐỊNH TÍNH NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 4 0 4 8 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013 LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ và tên : LƢU NGUYỄN AN BÌNH. Ngày sinh : 01/10/1981. Nơi Sinh : Tây Ninh. Địa chỉ liên lạc : 561A Ql 13 - Phƣờng Hiệp Bình Phƣớc – Quận Thủ Đức – TP.HCM. Điện thoại : 0933969211. Email : [email protected]. Quá trình học tập: - Từ năm 1999-2004: học đại học ngành Điện Khí Hoá & Cung Cấp Điện tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. - Từ năm 2011-2013: học cao học ngành Thiết Bị Mạng & Nhà Máy Điện tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Quá trình công tác: - Từ tháng 01/2006 đến nay: Công tác tại Công Ty Truyền Tải Điện 4, địa chỉ số 7 - Quốc Lộ 52 - Phƣờng Trƣờng Thọ Thủ Đức - TP. Hồ Chí Minh. LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang i LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong các công trình nghiên cứu khác. TP. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013 (ký và ghi rõ họ tên) Lƣu Nguyễn An Bình. LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang ii LUẬN VĂN THẠC SĨ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ Thành phố Hồ Chí Minh, ngày …. Tháng ….. năm 2013 LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang iii LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC TỰA TRANG Tóm tắt lý lịch trích ngang............................................................................................ i Lời cam đoan ............................................................................................................... ii Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn.............................................................................. iii Mục lục ....................................................................................................................... iv Danh mục bảng biểu ................................................................................................... vi Danh mục hình ảnh .................................................................................................... vii CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN .................................................................. 1 1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ ..................................................................................... 3 1.3. Phƣơng pháp giải quyết .................................................................................. 3 1.4. Giới hạn đề tài ................................................................................................ 3 1.5. Điểm mới của luận văn ................................................................................... 3 1.6. Phạm vi ứng dụng ........................................................................................... 3 1.7. Bố cục của luận văn ........................................................................................ 3 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN....................................................................................... 5 2.1. Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện............................................. 5 2.2. Các công trình nghiên cứu trƣớc đây .............................................................. 6 2.2.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện ......................................................... 6 2.2.2. Điều độ tải ............................................................................................. 7 2.2.3. Mở rộng đƣờng dây truyền tải ............................................................... 8 2.3. Các loại thiết bị Facts ................................................................................... 10 2.3.1. SVC ..................................................................................................... 10 2.3.2. STATCOM .......................................................................................... 12 2.3.3. UPFC ................................................................................................... 14 2.3.4. TCSC ................................................................................................... 14 2.4. Đề xuất phƣơng án sử dụng TCSC ............................................................... 16 2.4.1. Giải quyết để hết quá tải khi tăng tải.................................................... 16 LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang iv LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.4.2. Nhận xét............................................................................................... 18 2.5. Nhận xét và đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu .............................................. 19 2.5.1. Nhận xét............................................................................................... 19 2.5.2. Đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu ........................................................ 21 2.6. Ứng dụng trong hệ thống điện ...................................................................... 23 2.7. Nhận xét chung ............................................................................................. 27 CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN ............................................................ 28 3.1. Bài toán nâng cao khả năng tải dùng TCSC.................................................. 28 3.2. Sử dụng thuật toán Min-cut để xác định những nhánh ứng viên đặt TCSC .. 29 3.3. Xác định nhánh đặt TCSC ............................................................................ 30 3.4. Xác định dung lƣợng TCSC ......................................................................... 32 3.5. Phát biểu luật đặt TCSC ............................................................................... 33 3.6. Lƣu đồ xác định vị trí và dung lƣợng TCSC ................................................. 33 CHƢƠNG 4 KHẢO SÁT VÍ DỤ MẪU ................................................................. 36 4.1. Sơ đồ lƣới điện 3 thanh cái ........................................................................... 36 4.2. Sơ đồ lƣới điện 7 thanh cái ........................................................................... 44 CHƢƠNG 5 KHẢO SÁT TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM ...................... 57 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN ........................................................................................ 76 6.1. Kết luận ........................................................................................................ 76 6.2. Hƣớng phát triển đề tài ................................................................................. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 78 LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang v LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Chi phí đầu tƣ trên 1KVAr của các thiết bị FACTS. ................................... 19 Bảng 2.2. Vị trí và thông lƣợng của các lát cắt ............................................................ 25 Bảng 2.3. Các trƣờng hợp xảy ra vị trí lát cắt. ............................................................. 26 Bảng 4.1. Hoạt động của phụ tải tại các nút................................................................. 47 Bảng 4.2. Hoạt động của phụ tải cho một ngày làm việc đƣợc tính theo thời gian trong một ngày đêm (24 giờ)................................................................................................. 50 Bảng 4.3. Chi phí máy phát điện bỏ qua điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh......... 51 Bảng 4.4. Chi phí phát điện có xét đến điều kiện ràng buộc trên quá tải trên nhánh.... 51 Bảng 4.5. Kết quả chi phí và thời gian hoàn vốn. ........................................................ 55 Bảng 4.6. Giá trị XTCSC và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lƣới điện 7 nút. ............... 56 Bảng 5.1. Thông số máy phát. ..................................................................................... 58 Bảng 5.2. Thông số nhánh. .......................................................................................... 59 Bảng 5.3. Thông số nút. ............................................................................................... 60 Bảng 5.4. Hoạt động của phụ tải tại các nút................................................................. 60 Bảng 5.5. Hoạt động của phụ tải cho một ngày làm việc đƣợc tính theo thời gian trong một ngày đêm (24 giờ)................................................................................................. 64 Bảng 5.6. Chi phí phát điện bỏ qua điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh. ............... 66 Bảng 5.7. Chi phí phát điện có xét đến điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh. .......... 66 Bảng 5.8. Thời gian hoàn vốn. ..................................................................................... 70 Bảng 5.9. Giá trị XTCSC và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lƣới điện 500KV Việt Nam. ............................................................................................................................ 71 LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang vi LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1a. Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch ........................................................................... 8 Hình 2.1b. Ví dụ 2 nút sau khi đƣợc loại bỏ nghẽn mạch .............................................. 8 Hình 2.2. Nguyên tắc điều khiển SVC trong ổn định hệ thống điện ............................ 11 Hình 2.3. Dao động công suất trong trƣờng hợp không có SVC và có SVC ............... 11 Hình 2.4. Cấu hình cơ bản nhất của SVC. ................................................................... 12 Hình 2.5. Cấu hình nâng cao của SVC là TCR + TSC + FC........................................ 12 Hình 2.6. Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng STATCOM ............................................... 13 Hình 2.7. Nguyên tắc điều khiển trào lƣu công suất của STATCOM .......................... 13 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của UPFC ........................................................ 14 Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của TCSC. ............................................................................. 15 Hình 2.10. Mô hình đƣờng dây truyền tải có lắp đặt TCSC ......................................... 17 Hình 2.11. Đơn giản hoá mô hình TCSC trên nhánh i-j............................................... 17 Hình 2.12. Chi phí đầu tƣ vận hành theo công suất bù. ............................................... 20 Hình 2.13. Mối quan hệ giữa nguồn và tải ................................................................... 21 Hình 2.14. Sơ đồ mạng với nguồn phát (s), tải thu (t) và hai nút trung gian ................ 22 Hình 2.15. Mô hình hoá mạng với một số lát cắt tiêu biểu. ......................................... 23 Hình 2.16. Mô hình hệ thống điện đơn giản ................................................................ 24 Hình 2.17. Mô hình hoá sơ đồ mạng điện truyền tải 2 nút. ......................................... 24 Hình 2.18. Vị trí và thông lƣợng các lát cắt trên sơ đồ mô hình hóa. ........................... 25 Hình 2.19. Vị trí của lát cắt cực tiểu trên mạng mô hình hoá....................................... 26 Hình 3.1. Mô hình truyền tải điện trên hai nhánh song song. ...................................... 28 Hình 3.2.Tập hợp nhánh xung yếu theo chƣơng trình max-flow ................................. 30 Hình 3.3. Mô hình lƣới 3 nút ....................................................................................... 32 Hình 3.4. Lƣu đồ xác định vị trí, dung lƣợng TCSC. ................................................... 35 Hình 4.1. Sơ đồ lƣới điện 3 thanh cái. ......................................................................... 36 Hình 4.2. Mô hình mô phỏng lƣới điện 3 nút bằng chƣơng trình max-flow ................ 37 Hình 4.3. Danh sách các đƣờng cắt sau khi chạy chƣơng trình tính max-flow . .......... 37 Hình 4.4. Mô phỏng phân bố công suất bằng Powerworld lƣới điện 3 nút. ................. 38 Hình 4.5. Thông số đầu vào khi tăng tải thanh cái 2 lên 20% ...................................... 39 LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang vii LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.6. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 2 lên 20% .................................. 39 Hình 4.7. Phân bố công suất bằng Powerworld khi tăng tải thanh cái 2 lên 20% ........ 40 Hình 4.8. Thông số đầu vào khi tải tại thanh cái 3 tăng 20% ....................................... 40 Hình 4.9. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 3 lên 20% .................................. 41 Hình 4.10. Phân bố công suất bằng Powerworld khi tăng tải thanh cái 3 lên 20% ...... 41 Hình 4.11. Thông số nhập vào khi tăng tải 2 lên 20% và 3 lên 20%............................ 42 Hình 4.12. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 2 và 3 lên 20% ........................ 42 Hình 4.13. Phân bố công suất khi tăng tải thanh cái 2, 3 lên 20% ............................... 43 Hình 4.14. Phân bố công suất bằng Powerworld khi có lắp đặt TCSC ........................ 44 Hình 4.15. Sơ đồ lƣới điện 7 nút .................................................................................. 45 Hình 4.16. Mô hình hoá lƣới điện 7 nút trên max-flow ............................................... 46 Hình 4.17. Danh sách lát cắt của lƣới điện 7 nút trên max-flow .................................. 46 Hình 4.18. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 60% công suất).......................... 47 Hình 4.19. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 100% công suất)........................ 48 Hình 4.20. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 120% công suất ) ....................... 49 Hình 4.21. Phụ tải một ngày làm việc. ......................................................................... 50 Hình 4.22. Điều độ tối ƣu công suất máy phát có xét đến điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh khi phụ tải đạt 100% công suất. ................................................................. 52 Hình 4.23. Điều độ tối ƣu công suất máy phát có xét đến điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh khi phụ tải đạt 120% công suất. ................................................................. 52 Hình 4.24. Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp TCSC trên nhánh 1-3 (tải 100% công suất). ......................................................................................................... 53 Hình 4.25. Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp TCSC trên nhánh 1-3 ( tải 120% công suất) .......................................................................................................... 54 Hình 4.26. Điểm hoàn vốn khi lắp TCSC .................................................................... 55 Hình 5.1. Sơ đồ lƣới điện 500KV Việt Nam................................................................ 57 Hình 5.2. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 60% công suất)............................ 62 Hình 5.3. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 100% công suất )......................... 63 Hình 5.4. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 105% công suất )......................... 64 Hình 5.5. Phụ tải một ngày làm việc. ........................................................................... 65 LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang viii LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 5.6. Điều độ chi phí tối ƣu công suất máy phát chống quá tải khi phụ tải đạt 100% công suất............................................................................................................ 67 Hình 5.7. Điều độ chi phí tối ƣu công suất máy phát chống quá tải khi phụ tải đạt 105% công suất............................................................................................................ 67 Hình 5.8. Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp TCSC trên nhánh SƠN LANHO QUAN ( tải 100% công suất) ............................................................................. 68 Hình 5.9. Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp TCSC trên nhánh SƠN LANHO QUAN (tải 105% công suất) .............................................................................. 69 Hình 5.10. Điểm hoàn vốn khi lắp TCSC .................................................................... 70 Hình 5.11. Đồ thị biểu diễn tốc độ quay roto máy phát trƣớc khi lắp TCSC. .............. 72 Hình 5.12. Đồ thị biểu diễn tốc độ quay roto máy phát khi lắp TCSC vào nhánh SƠN LA-NHO QUAN. ........................................................................................................ 72 Hình 5.13. Đồ thị biểu diễn tốc độ quay của máy phát khi lắp TCSC vào nhánh PITOONG-QUÃNG NINH. ........................................................................................ 73 Hình 5.14. Đồ thị biểu diễn tốc độ quay máy phát khi chƣa lắp TCSC. ...................... 74 Hình 5.15. Đồ thị biểu diễn tốc độ quay máy phát khi lắp TCSC vào nhánh SƠN LANHO QUAN. ............................................................................................................... 74 Hình 5.16. Đồ thị biểu diễn tốc độ quay máy phát khi lắp TCSC vào nhánh PITOONG-QUÃNG NINH. ........................................................................................ 75 LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang ix LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1. Đặt vấn đề: Điện năng đóng vai trò rất quan trọng đối với sản xuất sản phẩm hàng hóa và cải thiện đời sống của con ngƣời. Chính vì vậy, nhà nƣớc luôn quan tâm tới sự phát triển của ngành điện, tạo điều kiện cho ngành điện trở thành một ngành công nghiệp mũi nhọn phục vụ sự nghiệp Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nƣớc. Xu hƣớng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc sang thị trƣờng điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới. Thị trƣờng điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nƣớc và cho thấy những ƣu điểm vƣợt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống. Hệ thống điện không ngừng phát triển cả về số lƣợng, chất lƣợng và độ tin cậy. Khi chuyển sang thị trƣờng điện thì vấn đề quá tải đƣờng dây là thƣờng xuyên, có ảnh hƣởng đến ổn định và độ tin cậy hệ thống. Điều khiển quá tải đƣờng dây là chức năng quan trọng của bất kỳ ISO (International Organization for Standardization ) và là quá trình đảm bảo hệ thống truyền tải không bị vi phạm các giới hạn vận hành. Bất kể khi nào, ràng buộc vật lý hoặc ràng buộc vận hành trong lƣới truyền tải bị vi phạm thì hệ thống đƣợc coi là đang ở trạng thái quá tải. Các giới hạn trong vấn đề quá tải đƣờng dây là giới hạn nhiệt, mức cảnh báo của máy biến áp, giới hạn điện áp nút, ổn định quá độ (ổn định động và ổn định tĩnh). Các giới hạn này ràng buộc lƣợng công suất mà có thể truyền tải giữa hai vị trí thông qua lƣới truyền tải. Công suất truyền tải không đƣợc phép tăng lên đến mức mà khi có xảy ra sự cố sẽ làm tan rã lƣới điện vì không ổn định điện áp. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về vận hành tối ƣu hệ thống điện. Một trong các bài toán đặt ra là phân bố luồng công suất tối ƣu còn đƣợc biết đến nhƣ phƣơng pháp điều khiển dòng công suất trên lƣới điện truyền tải nhằm: Hạn chế quá tải trên đƣờng dây ở thời điểm hiện tại cũng nhƣ khi mở rộng phụ tải trong tƣơng lai. Đây là nguyên nhân chính gây nên giá sản xuất điện năng tăng cao. Có nhiều phƣơng pháp để LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ giải quyết bài toán quá tải nhƣ: Điều chỉnh công suất phát của nhà máy, xây dựng các đƣờng dây song song sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng tại chỗ… Hiện nay Các thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) đƣợc sử dụng để điều khiển điện áp truyền tải, phân bố công suất, giảm tổn thất phản kháng, và làm giảm dao động công suất hệ thống cho các mức truyền tải công suất cao, đặc biệt là tăng khả năng truyền tải công suất. Vì vậy, lắp đặt các bộ điều khiển FACTS nhằm điều khiển tốt hơn trong hệ thống điện cần phải đƣợc xem xét, trong đó việc lắp đặt thích hợp các thiết bị FACTS trở thành quan trọng. Nếu lắp đặt không thích hợp các bộ điều khiển FACTS làm giảm đặc tính tối ƣu thu đƣợc và có thể làm mất đi tính hữu ích. Từ những khó khăn trong quản lý, vận hành hệ thống điện và tính năng của FACTS thì việc sử dụng thiết bị FACTS trên đƣờng dây truyền tải là rất cần thiết, trong đó việc xác định vị trí tối ƣu để đấu nối thiết bị FACTS nhằm đảm bão khả năng nhận công suất, khả năng phát công suất và khả năng truyền tải công suất trên đƣờng dây là lớn nhất đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay. Ngoài ra việc sử dụng các thiết bị Facts điều khiển dòng công suất trên đƣờng dây còn đƣợc biết đến nhƣ biện pháp chống nghẽn mạch, giảm rủi ro về mất điện, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, đảm bảo lợi ích kinh tế, đồng thời tránh đƣợc tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch. Một số công trình nghiên cứu cũng cho thấy rằng, việc sử dụng các thiết bị Facts để điều khiển dòng công suất sẽ hạn chế đƣợc quá tải trên đƣờng dây từ đó làm giảm chi phí sản xuất điện năng, tăng giá trị phúc lợi xã hội. Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu trƣớc đây đã đạt đƣợc, đề tài đề xuất tên “Xác định vị trí tối ưu của TCSC trong hệ thống điện và có xét đến ổn định tĩnh” nhằm xây dựng giải thuật tìm kiếm vị trí tối ƣu của thiết bị TCSC (Thyristor Controller Series Capacitor) với mục đích xây dựng giải thuật xác định vị trí tối ƣu của TCSC bằng phƣơng pháp mặt cắt tối thiểu để nâng cao khả năng truyền tải từ đó giảm đƣợc chi phí sản xuất điện năng và hạn chế nhƣợc điểm của các công trình nghiên cứu trƣớc đây. LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ  Tìm hiểu các giải pháp chống nghẽn mạch hệ thống điện  Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC.  Giải quyết bài toán nâng cao khả năng truyền tải bằng cách đặt TCSC (vị trí đặt và dung lƣợng) o Giảm thiểu không gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phƣơng pháp mặt cắt tối thiểu o Xác định dung lƣợng TCSC phù hợp để giảm hiện tƣợng nghẽn mạch. o Xét ảnh hƣởng của TCSC đến ổn định hệ thống.  Ứng dụng thực tế và so sánh với các ví dụ mẫu 1.3. Phƣơng pháp giải quyết - Giải tích và mô phỏng toán học. - Ứng dụng phần mềm Powerworld. 1.4. Giới hạn đề tài  Chỉ xét đến ổn định tĩnh, không xét đến ổn định động của hệ thống điện 1.5. Điểm mới của luận văn - Xây dựng thuật toán xác định vị trí và dung lƣợng của TCSC nâng cao khả năng tải của hệ thống điện. - Xét bài toán ổn định tĩnh làm tiền đề cho việc cải thiện vấn đề ổn định động sau này. 1.6. Phạm vi ứng dụng - Ứng dụng cho các mô hình hay lƣới điện bất kỳ. - Ứng dụng cho các lƣới điện IEEE mẫu. - Ứng dụng cho lƣới điện 500KV Việt Nam tính đến năm 2012. - Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lƣới điện với thiết bị FACTS. - Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học cung cấp điện. 1.7. Bố cục của luận văn Chƣơng 1: Giới thiệu luận văn. Chƣơng 2: Tổng quan. Chƣơng 3: Phƣơng pháp tiếp cận. LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chƣơng 4: Khảo sát các ví dụ mẫu. Chƣơng 5: Ứng dụng lƣới điện Việt Nam. Chƣơng 6: Kết luận. LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1. Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện: Trong quá trình vận hành hệ thống điện trong thị trƣờng điện, chi phí của tổ máy phát thứ i trong nhà máy điện là: Ci ( Pgi )  0i Pgi2  1i Pgi  2i (2.1) Pgi: công suất phát của tổ máy thứ i. 0i, 1i, 2i: Hệ số chi phí của máy phát i. Do đó tổng chi phí của các nhà máy phát điện đƣợc tính theo biểu thức: CG  Ci ( Pgi ) (2.2) Mục tiêu của các nhà máy sản xuất điện năng là tìm cách giảm chi phí sản xuất điện sao cho tổng chi phí phát điện phải là nhỏ nhất: C1  MinimumCi (Pgi ) (2.3) Giá thành điện năng là tổng chi phí để sản xuất ra một đơn vị điện năng. Giá điện bao gồm các chi phí nguồn phát, truyền tải đến nơi tiêu thụ cộng với các chi phí khác hình thành nên giá bán điện trên thị trƣờng. Do đó giá bán điện đƣợc xác định tính từ giá thành sản xuất điện năng tối thiểu C1. Trong thị trƣờng điện, sự cạnh tranh về giá luôn khiến các nhà sản xuất phải hƣớng đến mục tiêu tối thiểu hoá tổng chi phí của hệ thống điện, nghĩa là tìm cách đƣa tổng chi phí phát điện về giá trị C1. Điều này đồng nghĩa với việc giảm giá thành sản xuất trên một đơn vị điện năng và giá bán điện cũng giảm theo. Giả sử giá trị chi phí phát điện tối thiểu là C1 thì lƣợng công suất phát của các nhà máy điện và phụ tải có sự cân bằng theo biểu thức: n P i 1 Gi   PL (2.4) PGi: công suất phát của các nhà máy. PL: công suất của các phụ tải. Khi có sự gia tăng phụ tải vƣợt quá độ dự trữ cho phép của hệ thống dẫn đến đƣờng dây nghẽn mạch trên một số tuyến đƣờng dây của mạng điện. Nghĩa là khi phụ tải điện thay đổi tăng lên một lƣợng PL thì theo biểu thức (2.4), để giải quyết sự cố LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ nghẽn mạch trên hệ thống truyền tải điện cần thay đổi công suất phát của các tổ máy trong các nhà máy điện một lƣợng là Pgi. Nhƣ vậy chi phí cho sản xuất ra một đơn vị điện năng trong trƣờng hợp này theo biểu thức (2.3) sẽ là C2  Ci (Pgi' )  C1 . Khi chi phí sản xuất điện năng tăng cao thì giá bán điện đến hộ tiêu thụ cũng tăng theo. Điều này gây bất lợi cho nhà cung cấp trong việc gia tăng doanh số bán hàng trên thị trƣờng cũng nhƣ những nỗ lực cạnh tranh thị phần. Bài toán phân bố công suất tác dụng giữa các nhà máy điện để cực tiểu chi phí sản xuất (C1). Tuy nhiên bài toán này gặp khó khăn vì gặp giới hạn của các đƣờng dây tải điện nên phải thay đổi công suất phát giữa các nhà máy điện để các đƣờng dây không còn quá tải. Điều này làm cho chi phí tăng cao (C2) làm cho C2 > C1. Để giảm chi phí phát điện từ C2  C1 có thể nâng cao khả năng tải của hệ thống. Nếu không phải tất cả các đƣờng dây truyền tải (tạo thành mạch các vòng) bị quá tải hoàn toàn bằng cách thay đổi góc pha giữa nút, các tổng trở các nhánh để công suất truyền tải phân chia qua các tuyến dây chƣa bị quá tải. Ngành công nghệ điện tử với công suất hiện nay, việc sản suất các thiết bị FACTS có thể thực hiện đƣợc. Tuy nhiên, việc xác định chính xác vị trí đặt thiết bị hết sức khó khăn vì phải xác định đƣợc những nhánh thƣờng xuyên bị quá tải mới đem lại hiệu quả của việc đặt thiết bị FACTS. Số lƣợng thiết bị và công suất thiết bị đòi hỏi phải giải bài toán cực đại lợi nhuận giữa chi phí thiết bị và việc giảm chi phí sản suất điện năng. Những phân tích trên cho thấy: khi có sự thay đổi phụ tải hay sự cố hệ thống điện sẽ dẫn tới giá bán điện trên thị trƣờng tăng lên do chi phí sản xuất điện tăng. Cho dù vận hành lƣới điện ở bất kỳ trạng thái nào thì các nhà máy sản xuất điện luôn tìm cách đƣa các chi phí C2 trở về gần với trạng thái ban đầu nhất: C2 C1. 2.2. Các công trình nghiên cứu trƣớc đây: 2.2.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện: Phân bố công suất tối ƣu (OPF) là kỹ thuật quan trọng nhất để đạt đƣợc các mô hình phát điện chi phí nhỏ nhất trong một hệ thống điện với các điều kiện ràng buộc truyền tải và vận hành có sẵn. Vai trò của trung tâm vận hành hệ thống độc lập (ISO) trong thị trƣờng cạnh tranh là điều độ điện năng đáp ứng hợp đồng giữa các bên tham gia thị trƣờng. Với xu hƣớng phát triển của nền kinh tế và đất nƣớc, các phụ tải ngày LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ càng tăng số lƣợng các hợp đồng song phƣơng đƣợc ký kết cho các giao dịch thị trƣờng điện thì khả năng thiếu các nguồn cung cấp sẽ dẫn tới nghẽn mạch mạng là không thể tránh khỏi. Trong trƣờng hợp này, quản lý nghẽn mạch (với cơ chế OPF) trở thành một bài toán quan trọng. Nghẽn mạch truyền tải theo thời gian thực đƣợc định nghĩa là điều kiện vận hành mà ở đó không đủ khả năng truyền tải để thực hiện cùng lúc tất cả các giao dịch do xảy ra tình trạng khẩn cấp không mong muốn. Để giảm nghẽn mạch truyền tải bằng cách đƣa các ràng buộc khả năng truyền tải vào trong quá trình điều độ và lập kế hoạch. Điều này bao gồm tái điều phối nguồn phát hoặc cắt giảm tải. Trong tài liệu này, tác giả đã thành lập bài toán OPF với mục tiêu là cực tiểu lƣợng công suất tác dụng (MW) khi điều chỉnh lại kế hoạch. Theo cơ chế này, chúng ta cũng xem xét sự điều phối các hợp đồng song phƣơng trong trƣờng hợp nghẽn mạch nặng nề mặc dù biết rằng bất cứ sự thay đổi nào trong một hợp đồng song phƣơng là tƣơng ứng với sự thay đổi công suất bơm vào ở cả các nút ngƣời mua lẫn ngƣời bán. Điều này dẫn tới vận hành nguồn phát ở một điểm cân bằng khác điểm cân bằng đƣợc xác định bởi điều kiện giá cận biên bằng nhau. Các mô hình toán học giá truyền tải có thể đƣợc kết hợp trong cơ chế điều phối và đạt đƣợc tín hiệu giá tƣơng ứng. Các tín hiệu giá này có thể đƣợc sử dụng để định giá nghẽn mạch và chỉ cho những ngƣời tham gia thị trƣờng sắp xếp lại công suất bơm vào hay lấy ra để tránh nghẽn mạch. Ngoài ra, phƣơng pháp điều độ kế hoạch nguồn phát của tác giả chỉ xem xét điều kiện ràng buộc dòng công suất tác dụng trên đƣờng dây truyền tải mà chƣa xem xét các điều kiện ràng buộc khác nhƣ: điều kiện ràng buộc về điện áp nút, góc lệch pha, xác định giá điện tại các nút. Đây là những điều kiện rất quan trọng cần phải đƣa vào khi điều độ kế hoạch nguồn phát, giúp quá trình vận hành hệ thống ổn định và kinh tế. 2.2.2. Điều độ tải: Trong các hệ thống phi điều tiết, nghẽn mạch trong hệ thống truyền tải là một bài toán chủ yếu và có thể dẫn tới các đột biến giá. Nghẽn mạch truyền tải xuất hiện khi thiếu khả năng truyền tải để đáp ứng các yêu cầu của tất cả các khách hàng. Trong các trạng thái bị nghẽn mạch nặng nề, nghẽn mạch truyền tải có thể đƣợc giảm bớt bằng cách cắt giảm một phần các giao dịch không ổn định. LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 2.1a. Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch Một ví dụ của một hệ thống 2 nút trình bày trong Hình 2.1a giải thích sự nghẽn mạch truyền tải. Trong Hình 2.1a, đầu ra công suất tác dụng cực đại của máy phát là 100MW với giới hạn công suất đƣờng dây truyền tải là 100MVA và công suất tác dụng tải là 100MW. Có một sự quá tải truyền tải trên đƣờng dây truyền tải để đáp ứng tải. Nghẽn mạch có thể đƣợc giảm bớt bằng cách cắt giảm phần tải nào đó. Trong Hình 2.1b, tải đƣợc cắt giảm từ 100MW xuống 90MW và nghẽn mạch đƣợc loại bỏ. Hình 2.1b. Ví dụ 2 nút sau khi đƣợc loại bỏ nghẽn mạch Điều độ tải là phƣơng pháp điều khiển nghẽn mạch hiệu quả. Tuy nhiên phƣơng pháp này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: khả năng chuyển tải, tăng và giảm tải của các phụ tải, mức độ sự cố, khả năng mang tải của hệ thống điện. Biện pháp cắt tải sẽ làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và hạn chế khả năng phát triển tải trong tƣơng lai. Biện pháp này chỉ nên sử dụng khi sự cố trong hệ thống là bất khả kháng, quá nghiêm trọng cần phải điều khiển nhanh để đảm bảo an ninh hệ thống điện. 2.2.3. Mở rộng đƣờng dây truyền tải: Mở rộng đƣờng dây truyền tải giải quyết bài toán mở rộng và củng cố sự phát điện và mạng truyền tải hiện tại để phục vụ tối ƣu sự phát triển thị trƣờng điện trong khi đáp ứng một tập các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật. Các kỹ thuật khác nhau nhƣ phân tích Bender, tìm kiếm Tabu, thuật toán Gen [12] đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu bài toán này. Mặc dù các chi phí nghẽn mạch có thể đƣợc cực tiểu hóa nhờ vào các phƣơng pháp quản lý nghẽn mạch hiệu quả, nhƣng một mối quan tâm bao quát là chi phí biên LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ của nghẽn mạch này sẽ không cao hơn chi phí biên của giảm nghẽn mạch thông qua sự đầu tƣ về mở rộng khả năng truyền tải. Mặt khác, các chi phí nghẽn mạch cao sẽ là một tín hiệu để mở rộng khả năng truyền tải. Sự đầu tƣ về truyền tải sẽ luôn luôn hƣớng tới tăng độ tin cậy và giảm các chi phí nghẽn mạch. Tuy nhiên, phƣơng pháp mở rộng đƣờng dây truyền tải này có rất nhiều hạn chế nhƣ: Tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng đƣờng dây truyền tải lớn, phụ thuộc vào các ràng buộc pháp lý, các quy định đền bù giải tỏa… Ngoài ra những công trình nghiên cứu trƣớc đây về ứng dụng của FACTS [13] trong vận hành và điều khiển hệ thống điện nhằm đạt đƣợc những mục tiêu đề ra đa số tập trung vào các thiết bị nhƣ: TCSC, TCVR, TCPST, SVC và UPFC. Tuy có những xuất phát điểm và cách tiếp cận khác nhau trong việc ứng dụng tính hiệu quả của thiết bị FACTS vào điều khiển hệ thống điện. Nhƣng nhìn chung, các công trình nghiên cứu đều có chung hƣớng nghiên cứu và phƣơng pháp nhƣ sau: Sử dụng giải thuật Gen để tìm kiếm giải pháp tối ƣu. Nghĩa là: với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính, thông số của thiết bị FACTS sẽ đƣợc mã hoá cùng các thông số của mạng điện. Các toán tử đột biến, lai chéo đƣợc sử dụng để giải bài toán phân bố công suất đƣa kết quả vào không gian tìm kiếm. Thông số ban đầu sẽ đƣợc tự động lƣu trữ và cập nhật để gia tăng tính đa dạng của phạm vi tìm kiếm giải pháp đúng nhƣ tên của giải thuật. Một phƣơng pháp truyền thống nữa hay đƣợc sử dụng là liệt kê thử nghiệm: một bảng danh sách các đƣờng dây trong mạng đƣợc liệt kê. Thông thƣờng với phƣơng pháp này chọn lựa X TCSC=75%Xline cố định. Giá trị bù này lần lƣợt đƣợc thử trên tất cả các nhánh của mạng điện để tìm vị trí nào tối ƣu nhất theo hàm mục tiêu ban đầu đề ra. Có nhiều công trình nghiên cứu đặt mục tiêu vị trí tối ƣu của TCSC là gia tăng tổng khả năng truyền tải của hệ thống (maximal total transfer capability), hoặc vị trí tối ƣu của TCSC là vị trí có thể gia tăng tối đa phúc lợi xã hội mà nó mang lại [3,4,2]. Công trình nghiên cứu của M.A.Khaburi và M.R.Haghifam [17] sử dụng phƣơng pháp phân vùng để giới hạn phạm vi tìm kiếm giải pháp. Nghĩa là chia mạng điện thành hai vùng theo chủ quan. Vùng có nhiều máy phát tập trung gọi là vùng nguồn (source area) và vùng có nhiều phụ tải tập trung hơn gọi là vùng tải (sink area). LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hai vùng này đƣợc nối với nhau bằng các đƣờng dây liên lạc. Thiết bị bù chỉ lắp đặt trên các nhánh liên lạc này để kiểm tra tìm kiếm giải pháp tối ƣu theo mục tiêu đề ra. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là giới hạn đƣợc không gian phạm vi tìm kiếm giải pháp nhƣng kết quả tuỳ thuộc vào sự phân vùng ban đầu của ngƣời vận hành. Nói chung nó chỉ chính xác hơn trong trƣờng hợp có sự quy hoạch mua và bán điện giữa hai vùng đƣợc cung cấp từ hai nguồn khác nhau hoàn toàn. Lúc đó chỉ quan tâm đến những đƣờng dây liên lạc trao đổi điện năng giữa hai vùng này. Theo tác giả Nguyễn Hoàng Sơn trong công trình nghiên cứu ứng dụng của UPFC điều khiển hệ thống điện cũng có hƣớng giải quyết tƣơng tự [1]: giải bài toán phân bố công suất bằng powerworld, đƣa ra các tình huống sự cố giả định để tìm nhánh nghẽn mạch. Sau đó lần lƣợt thử đặt thiết bị UPFC vào từng nhánh của hệ thống cho phân bố lại công suất để tìm ra vị trí và dung lƣợng thích hợp cho thiết bị FACTS trong hệ thống điện. Phƣơng pháp này còn đƣợc biết đến với tên gọi “Phƣơng pháp thử sai” (trial and error method) để tìm vị trí tối ƣu của thiết bị FACTS trong mạng điện. 2.3. Các loại thiết bị Facts: 2.3.1. SVC (Static Var Compensator): SVC gọi là máy bù tĩnh gồm bộ tụ điện và bộ kháng điện nối song song với nhau, một trong hai bộ này đƣợc điều trơn. Công suất phản kháng Q đƣợc điều khiển từ dung tính đến cảm tính thông qua việc điều khiển các van Thyristor. Bộ SVC mắc song song với đƣờng dây hay phụ tải cho phép điều chỉnh và giữ vững điện áp tại nút đó, hạn chế đƣợc dao động điện áp nâng cao khả năng ổn định hệ thống điện. Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC là một thiết bị điện tử công suất nâng cao dùng để cung cấp nhanh và liên tục phát công suất phản kháng tính dung và tính cảm đến hệ thống điện. LƯU NGUYỄN AN BÌNH Trang 10