Ứng dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh ( Statcom) trong điều khiển ổn định điện áp cho hệ thống điện :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

DƯƠNG HỮU PHƯỚC

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH

(STATCOM) TRONG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH

ĐIỆN ÁP CHO HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã chuyên ngành: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trương Đình Nhơn

Người phản biện 1: .......................................................................................................

Người phản biện 2: .......................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm . .. .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. .........................................................................- Chủ tịch Hội đồng

2. .........................................................................- Phản biện 1

3. .........................................................................- Phản biện 2

4. .........................................................................- Ủy viên

5. .........................................................................- Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Dương Hữu Phước MSHV: 16002771

Ngày, tháng, năm sinh: 25/06/1968 Nơi sinh: Sài Gòn

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã chuyên ngành: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) trong điều khiển ổn định điện áp

cho hệ thống điện

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của thiết bị STATCOM sử dụng cho

quá trình điều khiển nâng cao ổn định điện áp trong truyền tải điện.

- Nghiên cứu ứng dụng GA tìm vị trí và dung lượng bù tối ưu trong hệ thống điện.

- Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ứng dụng thiết bị STATCOM

nhằm nâng cao độ ổn định của hệ thống.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 552 /QĐ-ĐHCN ngày 30/ 01/ 2018

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/ 07/ 2018

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trương Đình Nhơn

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Qua trang viết này, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy cô khoa Công

Nghệ Điện Trường Đại học Công Nghiệp Tp.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến

thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian học

tập - nghiên cứu khoa học vừa qua.

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc thầy PGS.TS Trương Đình Nhơn đã trực

tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp thông tin khoa học cần thiết bên cạnh nỗ

lực cố gắng của bản thân để hoàn tất luận văn này.

Cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã động viên, ủng hộ và hỗ trợ cho tôi rất

nhiều trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ.

Tp.HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2018

Tác giả

ii

TÓM TẮT

Hiện nay, những hệ thống điện lớn có phạm vi cung cấp công suất cho các phụ tải trên

địa bàn rộng và đặc tính tiêu thụ công suất của các khu vực cũng khác nhau nên trong

quá trình vận hành, các thông số của hệ thống như: Điện áp, tần số, công suất tác dụng

và công suất phản kháng ... Sẽ thường xuyên thay đổi theo các chế độ vận hành. Vì thế

xuất hiện nhiều trường hợp thông số điện nêu trên rơi ra ngoài phạm vi cho phép nên

trong công tác quản lý vận hành các hệ thống điện này cần thiết phải tìm các giải pháp

để điều khiển các thông số này về giá trị cho phép. Trong trường hợp này chỉ có thể sử

dụng các thiết bị trong nhóm thiết bị FACTS mới có khả năng điều khiển nhanh lượng

công suất phản kháng trao đổi với hệ thống để giữ ổn định điện áp nút khi thay đổi chế

độ vận hành.

Nhiệm vụ chính của luận văn này là nghiên cứu những vấn đề về ổn định điện áp trong

hệ thống truyền tải điện; cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặt tính làm việc của thiết bị

STATCOM; Ứng dụng giải thuật di truyền GA trong hệ thống điện để tìm vị trí và

dung lượng công suất phản kháng cần bù tối ưu; Ứng dụng thiết bị STATCOM trong

điều khiển hệ thống điện để nâng cao tính ổn định điện áp cho hệ thống truyền tải điện;

Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điện có ứng dụng STATCOM nhằm nâng cao

tính ổn định điện áp cho hệ thống điện.

Kết quả mô phỏng ứng dụng giải thuật di truyền GA cho hệ thống điện chuẩn 14 nút

của IEEE cho kết quả dung lượng bù tối ưu là 0,706 (p.u) tại vị trí nút 13. Xây dựng

được mô hình mô phỏng hệ thống điện chuẩn 14 nút của IEEE có ứng dụng

STATCOM đã nâng cao chất lượng điện áp của hệ thống lúc bình thường và lúc xảy ra

sự cố ngắn mạch ba pha cân bằng, có kết quả mô phỏng điện áp tại các nút trong hệ

thống tốt hơn và thỏa điều kiện sai lệch điện áp cho phép ± 5% so với trường hợp hệ

thống chưa được bù công suất phản kháng hay khi chỉ bù bằng tụ điện.

iii

ABSTRACT

At present, the large power systems have a wide range of capacities for large loads and

the power consumption characteristics of different areas are different. During

operation, the parameters of the system such as: Voltage, frequency, active power and

reactive power, etc will usually change according to operating modes. As a result,

many of the above mentioned parameters fall outside the limit, thus in the management

and operation of these electrical systems it is necessary to find solutions to control

these parameters in terms of value. However, in this case the fixed compensator cannot

be controlled to keep the parameter within the allowed range. In this case only the

equipment in the FACTS group can be used to quickly control the amount of reactive

power exchanged with the system to stabilize the voltage when changing the operating

mode.

The main task of this thesis is to study the problems of voltage stability in power

transmission system; structure, working principle and workability of the STATCOM

equipment; Application of genetic algorithms (GA) in electrical system to find the

optimal position and capacity of reactive power; application of STATCOM equipment

in electrical system control to improve voltage stability for power transmission system;

Build electrical simulation model with STATCOM application to improve voltage

stability for power system.

Simulation result of the standard IEEE14-Bus power system using GA with the

optional reactive power of 0,706 p.u at bus 13 show that STATCOM can be applied to

improves the system voltage quality at normal and at three-phase balanced short

circuit. Voltage at the buses in the system is better and satisfies the voltage deviation

condition of ± 5% compared to cases where the system is not compensated for reactive

power or only capacitor compensation.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn

nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện

trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Học viên

Dương Hữu Phước

v

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC....................................................................................................................... v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC ....................................................................................... xii

MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1

1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 1

1.1 Các công trình nghiên cứu trong nước ............................................................ 1

1.2 Công trình nghiên cứu nước ngoài ................................................................. 3

2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 4

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 5

3.1 Đối tượng nghiên cứu...................................................................................... 5

3.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 5

4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 5

5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài......................................................... 6

6. Tên đề tài ................................................................................................................ 6

7. Cấu trúc luận văn .................................................................................................... 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN VÀ CÔNG NGHỆ FACTS .............................................................. 7

1.1 Tổng quan về vấn đề ổn định điện áp trong hệ thống điện................................... 7

1.1.1 Khái niệm về ổn định điện áp....................................................................... 8

1.1.2 Sự sụp đổ điện áp trong hệ thống điện ......................................................... 9

1.1.3 Điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện ..................................................... 13

1.2 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS ................................................................... 21

1.3 Phân loại thiết bị FACTS.................................................................................... 27

1.3.1 Điều khiển nối tiếp .................................................................................... 27

1.3.2 Điều khiển song song - Shunt Controllers ................................................ 28

1.3.3 Điều khiển kết hợp nối tiếp - nối tiếp (Combined series - series -

Controllers).................................................................................................. 30

vi

1.3.4 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp - song song (Combined series - shunt

Controllers).................................................................................................. 30

1.4 Một số thiết bị FACTS ...................................................................................... 30

1.4.1 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor SVC (Static Var -

Compensator) ....................................................................................................... 30

1.4.2 Thiết bị bù tĩnh STATCOM ....................................................................... 32

1.4.3 Thiết bị điều khiển dòng công suất UPFC ................................................. 34

1.4.4 Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor TCPAR................................... 36

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ BÙ TĨNH STATCOM......................................................... 38

2.1. Thiết bị bù tĩnh STATCOM ............................................................................. 38

2.1.1 Đặc tính làm việc của STATCOM............................................................. 39

2.1.2 Đặc tính điều chỉnh của STATCOM.......................................................... 40

2.1.3 Đặc tính V- I của STATCOM ................................................................... 43

2.2. Mô hình mô phỏng thiết bị STATCOM ........................................................... 44

2.2.1 Khái niệm về Matlab .................................................................................. 44

2.2.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của MATLAB, các ứng dụng .................. 45

2.2.3 Sơ đồ khối mô hình điều khiển STATCOM trong Matlab......................... 45

2.2.4 Các phần tử của khối điều khiển của STATCOM trong Matlab................ 47

2.3. Kết luận.............................................................................................................. 50

CHƯƠNG 3 GIẢI THUẬT DI TRUYỀN GA ......................................................... 52

3.1. Giải thuật GA .................................................................................................... 52

3.1.1 Giới thiệu giải thuật GA ............................................................................ 52

3.1.2 Sơ đồ giải thuật di truyền GA..................................................................... 54

3.1.2.1 Kỹ thuật mã hóa ................................................................................. 55

3.1.2.2 Khởi tạo quần thể ................................................................................ 56

3.1.2.3 Hàm mục tiêu ..................................................................................... 56

3.1.2.4 Phép chọn lọc ...................................................................................... 57

3.1.2.5 Phép lai ghép....................................................................................... 57

3.1.2.6 Phép đột biến....................................................................................... 59

3.2 Tổng quan về thuật toán di truyền GA trong Matlab ....................................... 60

3.3 Các ứng dụng điển hình của giải thuật GA trong hệ thống điện ...................... 65

3.4 Kết luận ............................................................................................................. 66

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT GA ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT CHO

THIẾT BỊ STATCOM NHẰM NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH ĐIỆN

ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.......................................................... 67

4.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 67

vii

4.1.1 Giới thiệu về hệ thống điện 14-nút của IEEE ........................................... 67

4.1.2 Thuật toán di truyền .................................................................................. 68

4.2 Áp dụng GA cho hệ thống nghiên cứu ............................................................. 68

4.3 Mô phỏng ổn định điện áp sử dụng STATCOM .............................................. 72

4.4 Kết luận.............................................................................................................. 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 86

Kết luận .................................................................................................................... 86

Kiến nghị .................................................................................................................. 86

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................. 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 89

PHỤ LỤC ................................................................................................................... 91

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 Một số nguyên nhân gây nên sự cố tan rã HTĐ .......................................... 10

Hình 1.2 Cơ chế xảy ra sự cố tan rã hệ thống điện..................................................... 12

Hình 1.3 Phân loại ổn định trong hệ thống điện......................................................... 14

Hình 1.4 Các đường cong P-V không có bù, có bù song song.................................. 15

Hình 1.5 Sơ đồ vector độ lệch điện áp........................................................................ 16

Hình 1.6 Hệ thống điện gồm 2 nguồn và 2 đường dây song song. ............................ 17

Hình 1.7 Đường cong Công suất – Góc công suất δ. ................................................. 18

Hình 1.8 Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống mất ổn định

quá độ (b) .................................................................................................... 19

Hình 1.9 Độ thay đổi góc của . .................................................................................. 20

Hình 1.10 Thời gian diễn ra ổn định với nhiễu loạn nhỏ ............................................. 21

Hình 1.11 Mô hình đơn giản hệ thống hình tia hai thanh cái . .................................... 22

Hình 1.12 Hệ thống điện không bù ............................................................................. 25

Hình 1.13 Hệ thống điện có bù ngang . ....................................................................... 25

Hình 1.14 Ứng dụng của FACTS – Sơ đồ bù nối tiếp ................................................ 28

Hình 1.15 Ứng dụng của FACTS - bù song song ....................................................... 29

Hình 1.16 Cấu tạo của SVC ........................................................................................ 32

Hình 1.17 Mạch điện tương đương của STATCOM .................................................. 34

Hình 1.18 Nguyên lý cấu tạo của UPFC . ................................................................... 34

Hình 1.19 Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 35

Hình 1.20 Nguyên lý cấu tạo của TCPAR .................................................................. 37

Hình 2.1 Mạch tương đương một pha của STATCOM ............................................ 38

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của STATCOM ............................................................... 40

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM.................................................... 40