BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM TRẦN THẾ HOÀNG
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG CỦA
TCSC ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHUYÊN
TẢI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
………………………………………………………………………………………….
Chủ tịch hội đồng đánh giá LV

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM TRẦN THẾ HOÀNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG CỦA TCSC
ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHUYÊN TẢI CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƢƠNG VIỆT ANH


mặt cắt tối thiểu
 Xác định dung lƣợng TCSC phù hợp để nâng cao khả năng tải của
HTĐ
- Ứng dụng thực tế và so sánh với các ví dụ mẫu
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/2012
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/12/2012
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trƣơng Việt Anh
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) 1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên) Trần Thế Hoàng

3

TÓM TẮT
Những hệ thống điện hiện hữu luôn tồn tại các nhánh xung yếu nhất có khả
năng dẫn đến quá tải thƣờng xuyên. Khi mạng lƣới truyền tải điện bị nghẽn mạch
đó là một trong những nguyên nhân đẩy giá thành sản xuất và bán điện tăng cao.
Bằng nhiều giải pháp, các nhà cung cấp điện luôn tìm cách giảm chi phí sản xuất
điện năng khi bị sự cố quá tải về gần với chi phí lúc bình thƣờng. Một trong những
giải pháp đƣợc đề cập trong nội dung nghiên cứu “ Xác định vị trí và dung lƣợng
TCSC để nâng cao khả năng chuyên tải của hệ thống điện” là ứng dụng tính hiệu
quả của TCSC trong điều khiển dòng công suất trên lƣới để chống quá tải. Để giải
quyết bài toán đặt ra, nội dung nghiên cứu đƣợc trình bày trong sáu chƣơng.
Nghiên cứu lý thuyết mặt cắt tối thiểu, ứng dụng giải thuật max-flow và
Powerworld để xác định tập hợp những nhánh yếu nhất của hệ thống điện mở ra
nhiều hƣớng nghiên cứu mới cho bài toán chống quá tải. Nội dung nghiên cứu cũng
chỉ ra rằng: vấn đề trọng tâm của bài toán chống quá tải là làm sao xác định đƣợc
điểm thƣờng xuyên bị quá tải và xác định vị trí, dung lƣợng hợp lý đặt TCSC để
chống nghẽn mạch hiệu quả trên hệ thống điện.
Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp đã đề xuất đƣợc
kiểm chứng trên các hệ thống điện ba nút, bảy nút của IEEE và lƣới điện đồng bằng
Sông Cửu Long 9 nút. Những kết quả rút ra từ các lƣới điện trên cho thấy khả năng
khoanh vùng, tìm kiếm tập hợp nhánh xung yếu nhất, xác định vị trí và dung lƣợng
của TCSC trong hệ thống điện nhanh chóng, chính xác, hiệu quả đem lại lợi ích
kinh tế cao trong truyền tải hệ thống điện.

system quickly, exactly and effectively brings high economic profic in the
transmission of the electricity system. 5

MỤC LỤC
Lời cam đoan…… .i
Lời cảm ơn .ii
Tóm tắt……. iii
Abstract .iv
Mục lục ……………………………………………………………………………v

Chƣơng 1: Giới thiệu 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 Giá trị thực tiễn của luận văn 3
1.7 Bố cục của luận văn 4

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 7
2.2.1 Điều độ kế hoạch nguồn phát điện 7
2.2.2 Điều độ tải 8

4.2 Sơ đồ lƣới điện 7 thanh cái …………….48

Chƣơng 5: Khảo sát trên hệ thống điện Việt Nam 62

Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài .76
6.1 Kết luận ……….…………………………………………………….……76
6.2 Hƣớng phát triển đề tài 77

7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System): hệ thống truyền tải
điện xoay chiều.
TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor
OPF : Open Packaging Format
ISO : International Organization for Standardization:
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
STATCOM (Static Synchronous Compensator) : bộ bù đồng bộ tĩnh
SVC (Static Var Compensator) : bộ bù công suất phản kháng
UPFC (Unified Power Flow Controller): bộ điều khiển dòng chảy công suất.
HTĐ : Hệ Thống điện
MAX FLOW: Dòng công suất cực đại
Min-cut: Lát cắt cực tiểu
ĐBSCL: Đồng bằng Sông Cửu Long

Bảng 4.5. Kết quả chi phí và thời gian hoàn vốn………………………………… 60
Bảng 4.6. Giá trị X
TCSC
và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lƣới điện 7 nút….… 61
Bảng 5.1: Hoạt động của phụ tải tại các nút……………………………………….65
Bảng 5.2: Hoạt động của phụ tải cho một ngày làm việc (24giờ) ……………… 68
Bảng 5.3. Chi phí phát điện tối ƣu bỏ qua điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh.70
Bảng 5.4. Chi phí phát điện tối ƣu có xét điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh 70
Bảng 5.5: Thời gian hoàn vốn…………………………………………………… 74
Bảng 5.6. Giá trị XTCSC và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lƣới điện 9 nút……75
Hình 2.18: Vị trí và thông lƣợng các lát cắt trên sơ đồ mô hình hóa…………… 26
Hình 2.19: Vị trí của lát cắt cực tiểu trên mạng mô hình hoá…………………… 27
Hình 3.1: Mô hình truyền tải điện trên hai nhánh song song………………………30
Hình 3.2: Tập hợp nhánh xung yếu theo chƣơng trình max-flow………………….32
Hình 3.3: Mô hình lƣới 3 nút………………………………………………………34
Hình 3.4: Lƣu đồ xác định vị trí, dung lƣợng TCSC và công suất nhà máy điện….38
Hình 4.1: Sơ đồ lƣới điện 3 thanh cái…………………………………………… 39
Hình 4.2: Mô hình mô phỏng lƣới điện 3 nút bằng Max-Flow……………………40
Hình 4.3: Danh sách các đƣờng cắt sau khi tính MaxFflow. …………………… 40
Hình 4.4: Mô phỏng phân bố công suất bằng Powerworld lƣới điện 3 nút……… 41
Hình 4.5. Thông số đầu vào khi tăng tải thanh cái 2 lên 20% 42
Hình 4.6. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 2 lên 20% 43
Hình 4.7. Phân bố công suất bằng Powerworld khi tải nút 2 tăng 20% 43
Hình 4.8. Thông số đầu vào khi tải tại thanh cái 3 tăng 20% 44
Hình 4.9. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 3 lên 20% 44
Hình 4.10. Phân bố công suất bằng Powerworld khi tải nút 3 tăng 20% 45
Hình 4.11. Thông số nhập vào khi tăng tải 2 lên 20% và 3 lên 20% 45
Hình 4.12. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 2 và 3 lên 20% 46

10

Hình 4.13: Phân bố công suất khi tăng tải thanh cái 2, 3 lên 20% 46
Hình 4.14. Phân bố công suất bằng Powerworld khi có lắp đặt TCSC……………47
Hình 4.15: Sơ đồ lƣới điện 7 nút………………………………………………… 48
Hình 4.16. Mô hình hoá lƣới điện 7 nút trên max-flow……………………………49
Hình 4.17: Danh sách lát cắt của lƣới điện 7 nút trên max-flow………………… 50
Hình 4.18: Phân bố công suất bằng Powerworld tải 60% công suất………………51
Hình 4.19: Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 100% công suất)……………52
Hình 4.20. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 120% công suất )………… 52
Hình 4.21. đồ thị phụ tải một ngày làm việc……………………………………….54


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

13

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 và dung lượng TCSC để nâng cao khả
năng chuyên tải của hệ thống điện” 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.

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)
 Giảm thiểu không gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phƣơng pháp
mặt cắt tối thiểu
 Xác định dung lƣợng TCSC phù hợp để nâng cao khả năng tải của HTĐ
- 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
- 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

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:
2
0 1 2
()
i gi i gi i gi i
C P P P
  
  
(2.1)
P
gi
: 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:
()
G i gi
C C P

(2.2)
Mục tiêu của các nhà máy sản xuất điện năng là tìm cách giảm chi phí sản



(2.4)
P
Gi
: công suất phát của các nhà máy.
P
L
: công suất của các phụ tải.

16

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 P
L
thì theo biểu thức (2.4), để giải quyết
sự cố 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 P
gi
. Nhƣ vậy chi phí cho sản xuất ra
một đơn vị điện năng trong trƣờng hợp này theo biểu thức (2.3) sẽ là
'
21
()
i gi
C C P C

. 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

luôn tìm cách đƣa các chi phí C
2
trở về gần với trạng thái ban đầu nhất: C
2
 C
1
.
17

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 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

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

19

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 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

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). 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

21

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.