Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng thiết bị DFACTS - Luận án tiến sĩ

i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ. vii MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết.

Đối tượng nghiên cứu của Luận án. Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án. Phương pháp thực hiện. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án.

Các đóng góp mới của Luận án. Bố cục của Luận án. TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN. Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân phối.

Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối. Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49]. Tổng quan về nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng điện năng lưới phân phối điện. Quan điểm về thực hiện giải pháp.

Mô hình bài toán nâng cao CLĐN trên lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD. Tổng quan phương pháp giải. Những vấn đề còn tồn tại. Đối với các nghiên cứu trên thế giới.

Đối với các nghiên cứu trong nước. Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án. Kết luận Chương 1. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ D-STATCOM NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN.

Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành và ứng dụng của DVR. Cấu trúc cơ bản của DVR. Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR. Các thuật toán điều khiển áp dụng trong DVR.

Tóm tắt cấu trúc, vận hành D-STATCOM và ứng dụng. Nguyên lý vận hành của D-Statcom. Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter - VSC) và hệ thống điều khiển. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom trong việc khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn.

Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR hoặc D-Statcom. Mô phỏng và kết quả mô phỏng. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom hạn chế sóng hài. Đặt vấn đề bài toán.

Mô phỏng lò hồ quang. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút có lò hồ quang và các kịch bản đặt DVR hoặc D-Statcom. Phân tích kết quả mô phỏng. Kết luận chương 2.

ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ TỤ BÙ NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN SÓNG HÀI. Tổng quan nghiên cứu về bài toán tối ưu hóa nâng cao CLĐN lưới phân phối sử dụng tụ bù công suất phản kháng. Phân tích, lựa chọn phương pháp giải. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí dụng tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA)…………58 3.

Mô tả hệ thống lưới phân phối. Thành lập bài toán và phương pháp giải. Phương pháp giải tổng quát. Áp dụng thuật toán di truyền để giải bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù CSPK.

Kết quả đạt được. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí tụ điện nhằm giảm tổn thất điện năng và biến dạng sóng THD trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA). Mô tả hệ thống lưới nghiên cứu. Xây dựng mô hình bài toán và phương pháp giải.

Kết luận Chương 3. TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ CPD NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA). Tổng quan bài toán cải thiện CLĐN lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn. Vấn đề nghiên cứu và những tồn tại.

Hướng giải quyết của luận án. Mô hình toán của các thiết bị CPD khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn. Mô hình toán của thiết bị DVR. Mô hình toán của thiết bị D-Stacom.

Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị DVR nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn. Xây dựng mô hình bài toán. Phân tích kết quả. Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị D-Statcom nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn.

Xây dựng bài toán. Phân tích kết quả. 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 104 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

Khái niệm và thuật toán. Các thành phần cơ bản của GA. 126 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AF Active power filter ANN Artificial Neural Network BĐN Biến thiên điện áp ngắn hạn CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers Association CPD Custom power devices CLĐN Chất lượng điện năng CSPK Công suất phản kháng CSI Current Source Inverter DVR Dynamic voltage restorer D-Statcom Distribution Static Compensator DP Dynamic Programming EN European Standard IEEE Viện kỹ thuật điện và điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) IEC International Electrotechnical Commission ITIC Information Technology Industry Council IPFC interline power flow controller GA Genetic Algorithm GSA Gravitational Search Algorithm HTĐ Hệ thống điện HO Hybrid Optimization FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems MBA Máy biến áp NGA Niching type of GA NPV Net Present Value THD Total Harmonic Distortion SANH Sụt giảm điện áp ngắn hạn SA Simulated Annealing STATCOM Static synchronous compensator SSSC Static synchronous series compensator v SVC Static Var Compensator UPFC Unified power flow controller UPQC Unified power quality conditioner VSI Voltage Source Inverters UPS Uninterruptible Power Supply U1 Điện áp cơ bản Uk Điện áp sóng hài bậc k Uhd Điện áp hiệu dụng PCC Point of Common Connection PSO Particle swarm optimization QRA Quality, reliability, and availability pu Per unit system – Hệ đơn vị tương đối ĐTPT Đồ thị phụ tải TTĐN Tổn thất điện năng TTCS Tổn thất công suất vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện theo IEEE 1159-1995………………………………………… 6 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn Uh tại điểm cấp điện………………… 15 Bảng 1.3 Yêu cầu về biến dạng sóng điện áp………………………………….4 Bậc và biên độ sóng hài sinh ra bởi ghép các converter 6 xung…….1 Thông số chính cấu hình DVR và D-Statcom…………………………… 42 Bảng 2.2 Thông số lò hồ quang điện (Nguồn [14])………………………………… 48 Bảng 2.3 Điện áp nút và THD trước và sau khi có DVR, kịch bản thứ nhất…… 50 Bảng 2.4 Điện áp nút và THD trước và sau khi có D-Statcom, kịch bản thứ nhất 51 Bảng 2.5 Điện áp nút trước và sau khi có DVR hoặc D-Statcom, kịch bản thứ hai…………………………………………………………………………….1 Công suất phụ tải sử dụng trong tính toán……………………………… 72 Bảng 4.1 Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8…………….2 Điện áp 16 nút trước và sau khi có DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10 91 Bảng 4.3 Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13………….4 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8…….5 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10…….6 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13……. 101 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 0.1 Cấu trúc của luận án………………………………………………………………….1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)……………….2 Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch…………………….3 Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật………………………………………….4 Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ………………………………… 9 Hình 1.5 Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC……………………………………….6 So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200…………….7 Nguồn dự phòng UPS nối phụ tải nhạy cảm……………………………………….8 Khắc phục lõm điện áp dùng MBA cộng hưởng sắt từ…………………………… 11 Hình 1.9 Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR và Statcom………………………………….10 Dạng đặc tính U-I phi tuyến và biến dạng sóng điện áp tại đầu cực của lò hồ quang điện……………………………………………………………………………… 13 Hình 1.11 Số lượng bài báo có chỉ số (indexed) trong lĩnh vực tối ưu thiết bị CPD……… 23 Hình 2.1 Mô hình nối lưới của DVR…………………………………………………………… 30 Hình 2.2 DVR ứng dụng để bảo vệ tải nhạy cảm…………………………………………….3 DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh các hiện tượng CLĐN………………….4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng của thiết bị DVR……………………….5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ của thiết bị DVR………………………… 33 Hình 2.6 Sơ đồ vector phương pháp bù đồng pha…………………………………………….7 Sơ đồ khối giản thiểu của thuật toán vòng khóa pha (Phase Locked Loop- PLL)…………………………………………………………………………………….8 Cấu trúc và chức năng của D-Statcom…………………………………………….9 Lưới phân phối mô phỏng có DVR hoặc D-Statcom……………………………… 41 Hình 2.10 Mô phỏng Simulink lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR và D- Statcom………………………………………………………………………………….11 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối DVR…………………………….12 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối D-Statcom……………………… 43 Hình 2.13 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với DVR khi ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633………………………………………………………………… 44 Hình 2.14 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với D-Statcom khi ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633……………………………………………………….15 Mô phỏng Matlab/Simulink pha A của lò hồ quang điện [14]………………….16 Mô phỏng lưới điện mẫu 13 nút có lò hồ quang điện…………………………….17 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa có thiết bị DVR…… 49 viii Hình 2.18 Phổ sóng hài điện áp tại nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt DVR……………………………………………………………………………………… 49 Hình 2.19 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645- 632……………………………………………………………………………………….20 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645-632………………………………………………………………………….21 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645 50 Hình 2.22 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645………………………………………………………………………….23 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt DVR……………………………………………………………………………………… 52 Hình 2.24 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 52 671-692 Hình 2.25 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 692………………………………………………………………………….26 Phân tích FFT biến dạng điện áp trong 3 chu kỳ đầu tiên tại nút 633 khi lò hồ quang nối vào nút 633 trong chu kỳ đầu nối LHQ……………………………….1 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu)………………… ……………… 58 Hình 3.2 Đồ thị phụ tải điển hình……………………………………………………………….3 Các bước nguyên tắc thực hiện thuật toán GA…………………………………….4 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất sử dụng thuật toán GA…………………………………………………………………… 63 Hình 3.5 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 2 vị trí…… 64 Hình 3.6 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 4 vị trí…… 65 Hình 3.