Phương pháp tối ưu vị trí đặt kháng điện kết hợp tái cấu trúc lưới nhằm hạn chế dòng ngắn mạch trên lưới 110kv miền bắc việt nam
- 69 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Phương pháp tối ưu vị trí đặt kháng điện kết
hợp tái cấu trúc lưới nhằm hạn chế dòng ngắn
mạch trên lưới 110kV miền Bắc Việt Nam
TẠ TUẤN MINH
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điện
Giảng viên hướng dẫn: PGS. NGUYỄN ĐỨC HUY
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
HÀ NỘI, 10/2020
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Đặt vấn đề
Phát triển điện năng phải đi trước nền kinh tế quốc dân một bước, do đó bài
toán quy hoạch hệ thống điện được rất nhiều nhà nghiên cứu, hoạch định chính
sách quan tâm. Giai đoạn 9 năm trở lại đây từ 2010-2019, tốc độ tăng trưởng điện
thương phẩm trung bình hàng năm đạt 11%/năm. Nhiều công trình nhà máy điện
lớn đi vào vận hành cùng với sự khởi động của hàng loạt dự án năng lượng tái
tạo. Giai đoạn 2010-2019, nguồn điện Miền Bắc tăng 18,4 GW, Miền Trung tăng
5,6 GW còn Miền Nam tăng 12,6 GW. Với sự tăng lên về quy mô của hệ thống
điện Việt Nam, các tổ máy công suất lớn từ các nhà máy mới cùng một số loại
nguồn phát công suất như gió và năng lượng tái tạo được lắp đặt gần các khu vực
lớn, hệ thống lưới truyền tải ngày càng được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của
phụ tải gia tăng hàng năm. Việc phát triển hệ thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên
cứu hàng năm về cường độ dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố tại các nút trạm
quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc khu vực phía Bắc, cường độ dòng ngắn mạch
tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất cho phép hoạt động của hệ thống điện Việt
Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn dòng cắt cho phép của máy cắt, điểm sự cố
có thể không được loại trừ ngay lập tức bởi máy cắt khi đó bị sự cố, việc này có
thể gây hư hỏng các dây cáp điện, máy biến áp và các thiết bị điện tử khác. Vì
thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch sự cố là mối đe dọa nghiêm trọng tới ổn
định trong vận hành hệ thống điện và cần có sự quan tâm thỏa đáng.
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như:
Thay đổi chế độ làm việc của điểm trung tính.
Thay đổi một số đoạn đường dây từ AC sang DC
Mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới
Đặt kháng điện tại điểm trung tính
Tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp
Đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (fault current limiter) trên lưới
điện
Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu khoa học đề
xuất các thuật toán khác nhau giải quyết bài toán tối ưu hóa nguyên thực hỗn
hợp. Một số nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu tìm kiếm như giải thuật di
truyền (GA), tối ưu bầy đàn (PSO), ... Các thuật toán này có ưu điểm giải
nhanh, dễ hội tụ, giải quyết được các bài toán phức tạp. Tuy nhiên, tổn thất
công suất, điện áp, trào lưu công suất, khả năng điều chỉnh điện áp nút, chưa
được xem xét đến trong các bài báo này
Luận văn này đề xuất việc áp dụng thuật toán giải thuật di truyền cho hai
phương pháp đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (kháng điện) và phương pháp
tách (phân đoạn) thanh cái trên lưới truyền tải 110kV miền Bắc, qua đó tìm ra vị
trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn mạch hoặc tách thanh cái sao cho tối ưu
hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống
điện. Trong nghiên cứu này, tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút
110kV thuộc khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSSE của SIEMEN, kết hợp công cụ giải toán tối ưu sử dụng phần mềm
MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả của bài toán.
2. Mục tiêu của đề tài
Xuất phát từ các vấn đề đặt ra trên, nghiên cứu sẽ xem xét các vấn đề xung
quanh việc xây dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới. Mục tiêu chính của đề tài như sau:
- Đề xuất dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới, tối ưu hóa chi phí đầu tư và đảm bảo yêu cầu về
mặt kĩ thuật đặt ra.
- Đưa ra cấu hình lưới sau khi giải bài toán tối ưu với phương pháp đề xuất,
tiến hành đánh giá kết quả theo khía cạnh đảm bảo các yếu tố về mặt vận
hành như: trào lưu công suất, tổn thất điện áp, khả năng điều chỉnh điện
áp, từ đó rút ra kết luận.
3. Nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nhằm tìm ra vị trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn
mạch cũng như mở vòng sao cho tối ưu hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo
các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống điện. Thuật toán sẽ tìm ra được các vị
trí đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch và mở vòng tối ưu từ sơ đồ lưới điện ban
đầu.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu, các bài báo
khoa học liên quan đến quy hoạch, các phương pháp tối ưu.
- Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình toán:
o Tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút 110kV thuộc
khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSS/E của SIEMENS.
o Mô hình hóa, lập trình để giải bài toán tối ưu lưới điện truyền tải
trên phần mềm MATLAB/Simulink tích hợp việc phân tích để
đánh giá kết quả bài toán.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Mô hình thuật toán tối ưu được xây dựng trong luận văn hoàn toàn có thể
được sử dụng để kiểm nghiệm với số liệu thực tế của hệ thống điện Việt Nam, áp
dụng cho lưới điện của các tổng công ty NPC, SPC, HNPC và HCMPC. Mô hình
bài toán cũng có thể được cải tiến cho phép hạn chế dòng ngắn mạch tại các xuất
tuyến trung thế. Thực tế giá trị dòng ngắn mạch tại các vị trí này cũng rất đuợc
quan tâm do số lượng máy biến áp trung thế là rất lớn, và cũng xuất hiện hiện
tượng dòng ngắn mạch gây hư hỏng máy biến áp.
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
Lời cảm ơn
Tuy đã nỗ lực nhưng còn nhiều hạn chế do việc thiếu kinh nghiệm thực tế
cũng như kiến thức nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong nhận
được các ý kiến đóng góp, đánh giá để trau dồi thêm kiến thức và hoàn thiện bản
thân. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện cũng như
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dìu dắt, giúp đỡ em trong thời gian thực
hiện luận văn thạc sĩ tại trường. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
thầy Nguyễn Đức Huy đã tận tình hướng dẫn, đồng hành với em trong thời gian
vừa qua. Em rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô để không
ngừng học hỏi, mở mang kiến thức trong thời gian sắp tới.
Tóm tắt nội dung luận văn
Với sự tăng lên về quy mô của hệ thống điện Việt Nam, các tổ máy công
suất lớn từ các nhà máy mới cùng một số loại nguồn phát công suất như gió và
năng lượng tái tạo được lắp đặt gần các khu vực lớn, hệ thống lưới truyền tải
ngày càng được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của phụ tải gia tăng hàng năm. Việc
phát triển hệ thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên cứu hàng năm về cường độ
dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố tại các nút trạm quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc
khu vực phía Bắc, cường độ dòng ngắn mạch tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất
cho phép hoạt động của hệ thống điện Việt Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn
dòng cắt cho phép của máy cắt, điểm sự cố có thể không được loại trừ ngay lập
tức bởi máy cắt khi đó bị sự cố, việc này có thể gây hư hỏng các dây cáp điện,
máy biến áp và các thiết bị điện tử khác. Vì thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch
sự cố là mối đe dọa nghiêm trọng tới ổn định trong vận hành hệ thống điện và
cần có sự quan tâm thỏa đáng.
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như: thay đổi chế độ làm việc của điểm trung
tính, mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới, đặt kháng điện tại
điểm trung tính, tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp, đặt thiết bị giảm
dòng ngắn mạch (fault current limiter, kháng điện) trên lưới điện…v.v
Luận văn này tập trung vào áp dụng giải thuật di truyền đối với hai phương
pháp đặt kháng điện và phương pháp tách (phân đoạn) thanh cái trên lưới truyền
tải 110kV miền Bắc, qua đó tìm ra vị trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn mạch
hoặc tách thanh cái sao cho tối ưu hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo các yêu
cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống điện. Trong nghiên cứu này, tiến hành thử
nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút 110kV thuộc khu vực miền Bắc thông qua
công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm PSSE của SIEMEN, kết hợp công cụ giải
toán tối ưu sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả của bài
toán
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu của đề tài ..................................................................................... 2
1.3 Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 2
1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài........................................................................ 2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN DÒNG NGẮN MẠCH LƯỚI
ĐIỆN 220 – 110kV miền Bắc VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI ..................... 4
2.1 Tổng quan về dòng ngắn mạch lưới điện 220 - 110kV miền Bắc ............. 4
2.1.1 Tổng quan ................................................................................... 4
2.2 Các phương pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện ............................ 5
2.2.1 Phương pháp mở vòng tách thanh cái trong các chế độ vận hành
thích hợp 6
2.2.2 Phương pháp sử dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Fault
Current Limiter) ............................................................................................. 7
2.2.3 Phương pháp sử dụng kháng điện lõi không khí......................... 9
2.3 Bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện kết hợp tái cấu trúc lưới nhằm hạn
chế dòng ngắn mạch ............................................................................................... 9
2.3.1 Hàm mục tiêu .............................................................................. 9
2.3.2 Các ràng buộc............................................................................ 10
2.4 Một số phương pháp toán học giải bài toán tối ưu vị trí đặt thiết bị trên
lưới điện ............................................................................................................... 11
2.4.1 Quy hoạch tuyến tính nguyên thực hỗn hợp ............................. 11
2.4.2 Phân rã Bender (Bender Decomposition) ................................. 11
2.4.3 Các phương pháp heuristic........................................................ 12
2.5 Kết luận .................................................................................................... 19
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ
ĐẶT KHÁNG ĐIỆN KẾT HỢP MỞ VÒNG TÁCH THANH CÁI TRÊN
LƯỚI ĐIỆN ........................................................................................................ 20
3.1 Mô hình tính toán dòng ngắn mạch 3 pha đối xứng sử dụng ZBUS ....... 20
3.2 Tính toán ma trận tổng trở ZBUS. ........................................................... 22
3.3 Cập nhật ma trận tổng trở ZBUS. ............................................................ 27
3.4 Mô phỏng phương pháp tối ưu hóa vị trí và kích thước của kháng điện kết
hợp tái cấu trúc lưới. ............................................................................................ 29
3.5 Kết luận .................................................................................................... 30
CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TRÊN LƯỚI ĐIỆN MẪU VÀ LƯỚI
ĐIỆN THỰC TẾ................................................................................................. 32
4.1 Lưới điện 30 nút IEEE ............................................................................. 32
4.2 Lưới điện miền Bắc Việt Nam ................................................................. 34
4.2.1 Hiện trạng hệ thống điện ........................................................... 35
4.2.2 Kết quả bài toán tối ưu, nhận xét, đánh giá kết quả. ................. 38
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 44
5.1 Kết luận .................................................................................................... 44
5.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai ........................................ 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 46
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 49
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Mở vòng trong hệ thống điện .................................................................. 7
Hình 2.2 FCL loại cầu với nguồn một chiều .......................................................... 8
Hình 2.3 Trí tuệ nhân tạo và các yếu tố tác động................................................. 13
Hình 2.4 Các mốc quan trọng trong sự phát triển của ngành trí tuệ nhân tạo ..... 13
Hình 2.5 Sơ đồ quá trình tính toán của thuật toán di truyền ................................ 17
Hình 3.1 Mô hình lưới khi chưa có kháng điện ................................................... 28
Hình 3.2 Mô hình lưới khi có kháng điện ............................................................ 28
Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán bài toán tối ưu .......................................................... 30
Hình 4.1 Lưới điện 30 nút IEEE .......................................................................... 32
Hình 4.2 Phân vùng hệ thống điện ....................................................................... 35
Hình 4.3 Kết quả bài toán tối ưu .......................................................................... 39
Hình 4.4 Dòng ngắn mạch tính toán lớn nhất thanh cái 110kV ........................... 39
Hình 4.5 Trào lưu công suất trong chế độ vận hành bình thường ....................... 40
Hình 4.6 Trào lưu công suất trong chế độ sự cố N – 1 ........................................ 41
Hình 4.7 Tổn thất điện áp trong chế độ vận hành bình thường ........................... 41
Hình 4.8 Tổn thất điện áp trong chế độ sự cố N-1 ............................................... 42
Hình 4.9 Qmin tại 10 nút đặt kháng điện trong chế độ bình thường ................... 42
Hình 4.10 Qmin tại 1 nút trong chế độ sự cố N-1 ................................................ 43
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Chi phí kháng điện ................................................................................ 29
Bảng 4.1 Thông số dòng ngắn mạch lưới điện IEEE 30 nút................................ 33
Bảng 4.2 Chi phí thiết bị ...................................................................................... 33
Bảng 4.3 Kết quả bài toán tối ưu với lưới điện IEEE 30 nút ............................... 33
Bảng 4.4 Dòng ngắn mạch trước và sau khi đặt kháng điện................................ 34
Bảng 4.5 Thông số nguồn hệ thống điện miền Bắc Việt Nam ............................ 37
Bảng 4.6 Thông số trạm biến áp miền Bắc Việt Nam ......................................... 37
Bảng 4.7 Thông số đường dây lưới điện miền Bắc Việt Nam ............................. 38
Bảng 4.8 Kết quả dòng ngắn mạch thanh cái 110kV có giá trị >30kA ............... 38
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Với sự tăng lên về quy mô của hệ thống điện Việt Nam, các tổ máy công
suất lớn từ các nhà máy mới cùng một số loại nguồn phát công suất như gió và
năng lượng tái tạo được lắp đặt gần các khu vực lớn, hệ thống lưới truyền tải
ngày càng được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của phụ tải gia tăng hàng năm. Việc
phát triển hệ thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên cứu hàng năm về cường độ
dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố tại các nút trạm quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc
khu vực phía Bắc, cường độ dòng ngắn mạch tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất
cho phép hoạt động của hệ thống điện Việt Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn
dòng cắt cho phép của máy cắt, điểm sự cố có thể không được loại trừ ngay lập
tức bởi máy cắt khi đó bị sự cố, việc này có thể gây hư hỏng các dây cáp điện,
máy biến áp và các thiết bị điện tử khác. Vì thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch
sự cố là mối đe dọa nghiêm trọng tới ổn định trong vận hành hệ thống điện và
cần có sự quan tâm thỏa đáng.
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như:
Thay đổi chế độ làm việc của điểm trung tính.
Thay đổi một số đoạn đường dây từ AC sang DC
Mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới
Đặt kháng điện tại điểm trung tính
Tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp
Đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (fault current limiter) trên lưới
điện
Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu khoa học đề
xuất các thuật toán khác nhau giải quyết bài toán tối ưu hóa nguyên thực hỗn
hợp. Một số nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu tìm kiếm như giải thuật di
truyền (GA), tối ưu bầy đàn (PSO), ... Các thuật toán này có ưu điểm giải
nhanh, dễ hội tụ, giải quyết được các bài toán phức tạp. Tuy nhiên, tổn thất
công suất, điện áp, trào lưu công suất, khả năng điều chỉnh điện áp nút, chưa
được xem xét đến trong các bài báo này
1
Luận văn này đề xuất việc áp dụng thuật toán giải thuật di truyền cho hai
phương pháp đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (kháng điện) và phương pháp
tách (phân đoạn) thanh cái trên lưới truyền tải 110kV miền Bắc, qua đó tìm ra vị
trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn mạch hoặc tách thanh cái sao cho tối ưu
hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống
điện. Trong nghiên cứu này, tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút
110kV thuộc khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSSE của SIEMEN, kết hợp công cụ giải toán tối ưu sử dụng phần mềm
MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả của bài toán.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Xuất phát từ các vấn đề đặt ra trên, nghiên cứu sẽ xem xét các vấn đề xung
quanh việc xây dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới. Mục tiêu chính của đề tài như sau:
- Đề xuất dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới, tối ưu hóa chi phí đầu tư và đảm bảo yêu cầu về
mặt kĩ thuật đặt ra.
- Đưa ra cấu hình lưới sau khi giải bài toán tối ưu với phương pháp đề xuất,
tiến hành đánh giá kết quả theo khía cạnh đảm bảo các yếu tố về mặt vận
hành như: trào lưu công suất, tổn thất điện áp, khả năng điều chỉnh điện
áp, từ đó rút ra kết luận.
1.3 Nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nhằm tìm ra vị trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn
mạch cũng như mở vòng sao cho tối ưu hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo
các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống điện. Thuật toán sẽ tìm ra được các vị
trí đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch và mở vòng tối ưu từ sơ đồ lưới điện ban
đầu.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu, các bài báo
khoa học liên quan đến quy hoạch, các phương pháp tối ưu.
- Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình toán:
o Tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút 110kV thuộc
khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSS/E của SIEMENS.
o Mô hình hóa, lập trình để giải bài toán tối ưu lưới điện truyền tải
trên phần mềm MATLAB/Simulink tích hợp việc phân tích để
đánh giá kết quả bài toán.
1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
2
Mô hình thuật toán tối ưu được xây dựng trong luận văn hoàn toàn có thể
được sử dụng để kiểm nghiệm với số liệu thực tế của hệ thống điện Việt Nam, áp
dụng cho lưới điện của các tổng công ty NPC, SPC, HNPC và HCMPC. Mô hình
bài toán cũng có thể được cải tiến cho phép hạn chế dòng ngắn mạch tại các xuất
tuyến trung thế. Thực tế giá trị dòng ngắn mạch tại các vị trí này cũng rất đuợc
quan tâm do số lượng máy biến áp trung thế là rất lớn, và cũng xuất hiện hiện
tượng dòng ngắn mạch gây hư hỏng máy biến áp.
3
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN DÒNG NGẮN MẠCH LƯỚI
ĐIỆN 220 – 110kV miền Bắc VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI
Quy hoạch hệ thống năng lượng nói chung cũng như quy hoạch hệ thống
điện nói riêng là vấn đề rất được quan tâm trên thế giới, đặc biệt tại các nước
đang phát triển như Việt Nam. Theo kịch bản dự báo cơ sở trong Quy hoạch
Điện VII hiệu chỉnh, tốc độ tăng trưởng của kinh tế Việt Nam sẽ ở mức 7%/năm
trong giai đoạn 2017-2030. Để đáp ứng sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, hệ
thống điện cần được quy hoạch kịp thời, có phương pháp thực hiện phù hợp. Với
sự tăng lên về quy mô của hệ thống điện Việt Nam, các tổ máy công suất lớn từ
các nhà máy mới cùng một số loại nguồn phát công suất như gió và năng lượng
tái tạo được lắp đặt gần các khu vực lớn, hệ thống lưới truyền tải ngày càng được
mở rộng để đáp ứng nhu cầu của phụ tải gia tăng hàng năm. Việc phát triển hệ
thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên cứu hàng năm về cường độ dòng ngắn mạch
khi xảy ra sự cố tại các nút trạm quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc khu vực phía
Bắc, cường độ dòng ngắn mạch tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất cho phép hoạt
động của hệ thống điện Việt Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn dòng cắt cho
phép của máy cắt, điểm sự cố có thể không được loại trừ ngay lập tức bởi máy
cắt khi đó bị sự cố, việc này có thể gây hư hỏng các dây cáp điện, máy biến áp và
các thiết bị điện tử khác. Vì thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch sự cố là mối đe
dọa nghiêm trọng tới ổn định trong vận hành hệ thống điện và cần có sự quan
tâm thỏa đáng.
Chương 2 trình bày các lý thuyết tổng quan về bài toán tối ưu nhằm giảm
dòng ngắn mạch lưới điện truyền tải và một số phương pháp giải đã được nghiên
cứu trong những năm trở lại đây, từ đó đưa ra các đánh giá, phân tích ưu, nhược
điểm của từng phương pháp.
2.1 Tổng quan về dòng ngắn mạch lưới điện 220 - 110kV miền Bắc
2.1.1 Tổng quan
Lưới truyền tải là tập các đường dây nối giữa các nguồn điện và phụ tải
điện. Năm 2020, dòng ngắn mạch trên lưới điện miền Bắc tiếp tục tăng cao, dòng
ngắn mạch vượt quá khả năng cắt các MC:
- Phía 220kV (10 TBA): TĐ Hòa Bình, NĐ Phả Lại, T500 Hiệp Hòa,
Thường Tín, T220 Hà Đông, Sóc Sơn, Vân Trì, Đồng Hòa, Vật
Cách, Tràng Bạch.
- Phía 110kV (31 TBA): NĐ Phả Lại, T500 Đông Anh, T220 Mai
Động, Hà Đông, Chèm, Thành Công, Sóc Sơn, Vân Trì, Tây Hồ,
Nam Định, Bắc Giang, Ninh Bình, Vĩnh Yên, Bắc Ninh, Phố Nối;
T110 Đông Anh, Thượng Đình, Phương Liệt, Yên Phụ, Đông Anh
2, Quốc Oai, Minh Khai, Giám, Thanh Nhàn, Long Biên, CV Thủ
4
Lệ, Hà Đông 2, Trần Hưng Đạo, An Lạc, Thép Hòa Phát, Đồng
Niên.
Kết quả của bài toán tối ưu trí đặt kháng điện kết hợp tái cấu trúc lưới điện
là cơ sở khoa học cho việc áp dụng các biện pháp giảm dòng ngắn mạch trên hệ
thống điện trong thực tế. Thời gian và mức độ chi tiết phụ thuộc vào loại quy
hoạch thực hiện.
Nguyên tắc cơ bản của bài toán tối ưu là tối thiểu hóa chi phí đầu tư và vận
hành sao cho đáp ứng các yêu cầu cung cấp điện an toàn, ổn định và tin cậy cho
phụ tải. Các yêu cầu bao gồm:
- Yêu cầu trong chế độ làm việc bình thường: Khi hệ thống điện làm
việc ở chế độ bình thường, các thông số chế độ về dòng điện, điện
áp nằm trong phạm vi cho phép.
- Yêu cầu trong chế độ sự cố: Khi xảy ra sự cố phần tử trong hệ
thống điện, dòng ngắn mạch phải được đảm bảo không vượt quá
khả năng cắt của các máy cắt theo quy định.
So với quy hoạch nguồn, quy hoạch lưới điện phức tạp hơn. Thứ nhất, quy
hoạch lưới điện phải xem xét đến cấu trúc lưới điện thực tế, do đó kích thước của
bài toán quy hoạch lưới điện thường lớn hơn bài toán quy hoạch nguồn điện. Thứ
hai, ràng buộc trong bài toán quy hoạch lưới điện rất phức tạp, bao gồm cả các
ràng buộc phi tuyến (ràng buộc về điện áp, trào lưu công suất xoay chiều,…) và
các ràng buộc vi phân (ràng buộc về ổn định,…). Vì vậy, rất khó có thể biểu diễn
và giải bài toán quy hoạch lưới điện với đầy đủ các ràng buộc bằng mô hình toán
học.
Để khắc phục khó khăn trên, việc kết hợp giữa kinh nghiệm của con người
và sự tự động hóa của các thuật toán sẽ giúp nâng cao hiệu quả của bài toán, cải
thiện thời gian tính toán. Bước đánh giá lại các phương án thường bao gồm: kiểm
tra trào lưu công suất; kiểm tra ổn định, điện áp; đánh giá các chỉ tiêu kinh tế;
đánh giá sự phù hợp với chính sách,…Qua việc đánh giá các phương án, cấu hình
lưới điện có thể được hiệu chỉnh và cải thiện, từ đó lựa chọn được phương án tối
ưu đáp ứng tốt nhất các tiêu chí đã đặt ra.
2.2 Các phương pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như:
Thay đổi chế độ làm việc của điểm trung tính.
Thay đổi một số đoạn đường dây từ AC sang DC.
5
Mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới.
Đặt kháng điện tại điểm trung tính
Tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp
Đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (fault current limiter) trên lưới điện.
Trên thực tế hệ thống điện khu vực miền Bắc ở Việt Nam hiện nay, một số
giải pháp giảm dòng ngắn mạch được đề xuất thực hiện gồm có:
Giải pháp về thay đổi kết dây điều chỉnh quy hoạch:
o Xem xét điều chỉnh bổ sung vào quy hoạch điện lực giải pháp sử
dụng đường dây liên kết một chiều giữa các vùng.
o Sử dụng MBA 3 cuộn dây
o Lắp đặt các MBA 500kV, 220kV các trạm có thông số điện kháng
ngắn mạch cao (như các MBA AT lắp tại Formosa, …)
Giải pháp về đầu tư, thay thế, hoán chuyển thiết bị: rà soát, kiểm tra và có
giải pháp điều chuyển hoán đổi hoặc thay thế thiết bị đảm bảo an toàn vận
hành và phù hợp tổng sơ đồ đã được phê duyệt đối với các trường hợp
dòng điện ngắn mạch các trạm, nhà máy vượt quá giới hạn cho phép:
o Lắp đặt kháng đầu cực máy phát đối với các tổ máy phát điện
không đảm bảo thông số theo quy định tại mục 3 Điều 12 Thông tư
25/2016/TT-BCT ngày 30/11/2016 [2].
o Lắp kháng giảm dòng ngắn mạch, điều chuyển các kháng giảm
dòng ngắn mạch dự kiến lắp đặt tại Nghi Sơn, Mai Động sang các
TBA khác đang có dòng ngắn mạch vượt quá khả năng cắt của các
MC.
o Điều chuyển hoán đổi, thay MC, đặc biệt là các MC 110kV có
dòng cắt ngắn mạch định mức loại 25kA.
Các giải pháp về vận hành: Tái cấu trúc lưới, mở vòng tách tại các vị trí
thích hợp để giảm dòng ngắn mạch.
2.2.1 Phương pháp mở vòng tách thanh cái trong các chế độ vận
hành thích hợp
Phương pháp mở vòng trên lưới điện có thể được sử dụng trong vận hành
hệ thống điện như một phương pháp cấp bách [3]. Việc mở vòng được thực hiện
chủ yếu trên các thanh cái chính phân đoạn bằng máy cắt liên lạc của các trạm
6
biến áp. Biện pháp này góp phần làm giảm cường độ dòng ngắn mạch sự cố do
sự tăng lên của tổng trở từ nguồn phát tới điểm sự cố.
Hình 2.1 Mở vòng trong hệ thống điện
Ưu điểm của biện pháp là dễ dàng sử dụng, hiệu quả tương đối cao và tốn
ít chi phí kinh tế. Tuy vậy, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định,
đặc biệt có thể gây ảnh hưởng tới sự làm việc ổn định và tin cậy trong vận hành
hệ thống điện, và cũng làm tăng tổn thất công suất trên lưới điện. Vì vậy đòi hỏi
phải có những biện pháp kiểm tra, phân tích nghiêm ngặt để lựa chọn biện pháp
phù hợp như: kiểm tra việc đảm bảo độ tin cậy với sự cố N-1 (N-1 AC
Contingency analysis).
2.2.2 Phương pháp sử dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Fault
Current Limiter)
Việc cài đặt FCL trên các đường dây như là một giải pháp cho vấn đề đặt ra
[4], nó hạn chế dòng điện ngắn mạch và cho phép duy trì hoạt động của các thiết
bị bảo vệ, tạo hiệu ra quả về mặt kinh tế. Thiết bị FCL có trở kháng rất thấp (by
pass) dưới điều kiện làm việc bình thường của hệ thống điện, nhưng khi kích
hoạt sẽ có tổng trở lớn và có tác dụng làm giảm dòng ngắn mạch sự cố trên lưới
điện [5].
FCLs loại cầu (Bridge-type FCLs) là một trong những sản phẩm thuộc công
nghệ FCLs rắn, đặc tính cơ bản của FCLs loại này được trình bày trong hình sau:
7
Hình 2.2 FCL loại cầu với nguồn một chiều
FCL loại này gồm 4 diot (1,2,3,4) được sắp xếp theo một mạch cầu, một
trở kháng ZFCL và một nguồn một chiều (dc) được mắc nối tiếp giữa nguồn và tải.
Nguồn một chiều cung cấp một dòng dc chạy qua 4 thyristor và cuộn kháng ZFCL.
Nguyên lý làm việc của FCL:
Khi hệ thống hoạt động bình thường, với dòng tải nhỏ hơn dòng một
chiều, khi đó dòng xoay chiều được xếp chồng lên dòng một chiều trong
diot. Ví dụ, trong nửa chu kỳ với dòng điện dương chạy qua, dòng xoay
chiều được cộng thêm với dòng một chiều trong các diot 2 và 3. Và bị trừ
đi trong các diot 1 và 4, dòng điện qua các diot này vẫn dương nếu biên độ
dòng xoay chiều nhỏ hơn biên độ dòng một chiều. Điều này thỏa mãn
định luật kirchhoff 1 (tổng dòng vào bằng tổng dòng ra), có nghĩa là
không có dòng chạy qua ZFCL (tổng trở giới hạn dòng ngắn mạch của
FCL không được thêm vào hệ thống ở chế độ bình thường).
Khi tổng trở tải giảm xuống, tương đương với trường hợp xảy ra ngắn
mạch, dòng sự cố tăng lên vượt quá dòng một chiều (DC) và làm ngắt một
cặp diot D1-D4 hoặc D2-D3 trong mỗi nửa chu kỳ hoạt động. Cụ thể, ở
nửa chu kỳ dương, dòng xoay chiều được cộng thêm với dòng một chiều
trong các diot 2 và 3, khi đó 2 diot này thông và dòng chạy qua D2 sau đó
qua ZFCL và D3, và bị trừ đi trong các diot 1 và 4, khi đó dòng xoay
chiều lớn hơn dòng 1 chiều làm cho 2 diot này bị khóa, ở nửa chu kỳ âm
quá trình ngược lại, D1-D4 dẫn còn D2-D3 bị khóa. Do đó, dòng sự cố
được chạy qua tổng trở giới hạn ZFCL. Sử dụng FCL loại này không có
thời gian trễ. Việc kích hoạt mức phát hiện sự cố có thể được điều chỉnh
bởi giá trị của dòng một chiều.
8
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Phương pháp tối ưu vị trí đặt kháng điện kết
hợp tái cấu trúc lưới nhằm hạn chế dòng ngắn
mạch trên lưới 110kV miền Bắc Việt Nam
TẠ TUẤN MINH
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điện
Giảng viên hướng dẫn: PGS. NGUYỄN ĐỨC HUY
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
HÀ NỘI, 10/2020
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Đặt vấn đề
Phát triển điện năng phải đi trước nền kinh tế quốc dân một bước, do đó bài
toán quy hoạch hệ thống điện được rất nhiều nhà nghiên cứu, hoạch định chính
sách quan tâm. Giai đoạn 9 năm trở lại đây từ 2010-2019, tốc độ tăng trưởng điện
thương phẩm trung bình hàng năm đạt 11%/năm. Nhiều công trình nhà máy điện
lớn đi vào vận hành cùng với sự khởi động của hàng loạt dự án năng lượng tái
tạo. Giai đoạn 2010-2019, nguồn điện Miền Bắc tăng 18,4 GW, Miền Trung tăng
5,6 GW còn Miền Nam tăng 12,6 GW. Với sự tăng lên về quy mô của hệ thống
điện Việt Nam, các tổ máy công suất lớn từ các nhà máy mới cùng một số loại
nguồn phát công suất như gió và năng lượng tái tạo được lắp đặt gần các khu vực
lớn, hệ thống lưới truyền tải ngày càng được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của
phụ tải gia tăng hàng năm. Việc phát triển hệ thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên
cứu hàng năm về cường độ dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố tại các nút trạm
quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc khu vực phía Bắc, cường độ dòng ngắn mạch
tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất cho phép hoạt động của hệ thống điện Việt
Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn dòng cắt cho phép của máy cắt, điểm sự cố
có thể không được loại trừ ngay lập tức bởi máy cắt khi đó bị sự cố, việc này có
thể gây hư hỏng các dây cáp điện, máy biến áp và các thiết bị điện tử khác. Vì
thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch sự cố là mối đe dọa nghiêm trọng tới ổn
định trong vận hành hệ thống điện và cần có sự quan tâm thỏa đáng.
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như:
Thay đổi chế độ làm việc của điểm trung tính.
Thay đổi một số đoạn đường dây từ AC sang DC
Mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới
Đặt kháng điện tại điểm trung tính
Tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp
Đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (fault current limiter) trên lưới
điện
Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu khoa học đề
xuất các thuật toán khác nhau giải quyết bài toán tối ưu hóa nguyên thực hỗn
hợp. Một số nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu tìm kiếm như giải thuật di
truyền (GA), tối ưu bầy đàn (PSO), ... Các thuật toán này có ưu điểm giải
nhanh, dễ hội tụ, giải quyết được các bài toán phức tạp. Tuy nhiên, tổn thất
công suất, điện áp, trào lưu công suất, khả năng điều chỉnh điện áp nút, chưa
được xem xét đến trong các bài báo này
Luận văn này đề xuất việc áp dụng thuật toán giải thuật di truyền cho hai
phương pháp đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (kháng điện) và phương pháp
tách (phân đoạn) thanh cái trên lưới truyền tải 110kV miền Bắc, qua đó tìm ra vị
trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn mạch hoặc tách thanh cái sao cho tối ưu
hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống
điện. Trong nghiên cứu này, tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút
110kV thuộc khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSSE của SIEMEN, kết hợp công cụ giải toán tối ưu sử dụng phần mềm
MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả của bài toán.
2. Mục tiêu của đề tài
Xuất phát từ các vấn đề đặt ra trên, nghiên cứu sẽ xem xét các vấn đề xung
quanh việc xây dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới. Mục tiêu chính của đề tài như sau:
- Đề xuất dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới, tối ưu hóa chi phí đầu tư và đảm bảo yêu cầu về
mặt kĩ thuật đặt ra.
- Đưa ra cấu hình lưới sau khi giải bài toán tối ưu với phương pháp đề xuất,
tiến hành đánh giá kết quả theo khía cạnh đảm bảo các yếu tố về mặt vận
hành như: trào lưu công suất, tổn thất điện áp, khả năng điều chỉnh điện
áp, từ đó rút ra kết luận.
3. Nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nhằm tìm ra vị trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn
mạch cũng như mở vòng sao cho tối ưu hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo
các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống điện. Thuật toán sẽ tìm ra được các vị
trí đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch và mở vòng tối ưu từ sơ đồ lưới điện ban
đầu.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu, các bài báo
khoa học liên quan đến quy hoạch, các phương pháp tối ưu.
- Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình toán:
o Tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút 110kV thuộc
khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSS/E của SIEMENS.
o Mô hình hóa, lập trình để giải bài toán tối ưu lưới điện truyền tải
trên phần mềm MATLAB/Simulink tích hợp việc phân tích để
đánh giá kết quả bài toán.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Mô hình thuật toán tối ưu được xây dựng trong luận văn hoàn toàn có thể
được sử dụng để kiểm nghiệm với số liệu thực tế của hệ thống điện Việt Nam, áp
dụng cho lưới điện của các tổng công ty NPC, SPC, HNPC và HCMPC. Mô hình
bài toán cũng có thể được cải tiến cho phép hạn chế dòng ngắn mạch tại các xuất
tuyến trung thế. Thực tế giá trị dòng ngắn mạch tại các vị trí này cũng rất đuợc
quan tâm do số lượng máy biến áp trung thế là rất lớn, và cũng xuất hiện hiện
tượng dòng ngắn mạch gây hư hỏng máy biến áp.
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
Lời cảm ơn
Tuy đã nỗ lực nhưng còn nhiều hạn chế do việc thiếu kinh nghiệm thực tế
cũng như kiến thức nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong nhận
được các ý kiến đóng góp, đánh giá để trau dồi thêm kiến thức và hoàn thiện bản
thân. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện cũng như
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dìu dắt, giúp đỡ em trong thời gian thực
hiện luận văn thạc sĩ tại trường. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
thầy Nguyễn Đức Huy đã tận tình hướng dẫn, đồng hành với em trong thời gian
vừa qua. Em rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô để không
ngừng học hỏi, mở mang kiến thức trong thời gian sắp tới.
Tóm tắt nội dung luận văn
Với sự tăng lên về quy mô của hệ thống điện Việt Nam, các tổ máy công
suất lớn từ các nhà máy mới cùng một số loại nguồn phát công suất như gió và
năng lượng tái tạo được lắp đặt gần các khu vực lớn, hệ thống lưới truyền tải
ngày càng được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của phụ tải gia tăng hàng năm. Việc
phát triển hệ thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên cứu hàng năm về cường độ
dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố tại các nút trạm quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc
khu vực phía Bắc, cường độ dòng ngắn mạch tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất
cho phép hoạt động của hệ thống điện Việt Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn
dòng cắt cho phép của máy cắt, điểm sự cố có thể không được loại trừ ngay lập
tức bởi máy cắt khi đó bị sự cố, việc này có thể gây hư hỏng các dây cáp điện,
máy biến áp và các thiết bị điện tử khác. Vì thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch
sự cố là mối đe dọa nghiêm trọng tới ổn định trong vận hành hệ thống điện và
cần có sự quan tâm thỏa đáng.
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như: thay đổi chế độ làm việc của điểm trung
tính, mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới, đặt kháng điện tại
điểm trung tính, tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp, đặt thiết bị giảm
dòng ngắn mạch (fault current limiter, kháng điện) trên lưới điện…v.v
Luận văn này tập trung vào áp dụng giải thuật di truyền đối với hai phương
pháp đặt kháng điện và phương pháp tách (phân đoạn) thanh cái trên lưới truyền
tải 110kV miền Bắc, qua đó tìm ra vị trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn mạch
hoặc tách thanh cái sao cho tối ưu hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo các yêu
cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống điện. Trong nghiên cứu này, tiến hành thử
nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút 110kV thuộc khu vực miền Bắc thông qua
công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm PSSE của SIEMEN, kết hợp công cụ giải
toán tối ưu sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả của bài
toán
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu của đề tài ..................................................................................... 2
1.3 Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 2
1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài........................................................................ 2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN DÒNG NGẮN MẠCH LƯỚI
ĐIỆN 220 – 110kV miền Bắc VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI ..................... 4
2.1 Tổng quan về dòng ngắn mạch lưới điện 220 - 110kV miền Bắc ............. 4
2.1.1 Tổng quan ................................................................................... 4
2.2 Các phương pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện ............................ 5
2.2.1 Phương pháp mở vòng tách thanh cái trong các chế độ vận hành
thích hợp 6
2.2.2 Phương pháp sử dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Fault
Current Limiter) ............................................................................................. 7
2.2.3 Phương pháp sử dụng kháng điện lõi không khí......................... 9
2.3 Bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện kết hợp tái cấu trúc lưới nhằm hạn
chế dòng ngắn mạch ............................................................................................... 9
2.3.1 Hàm mục tiêu .............................................................................. 9
2.3.2 Các ràng buộc............................................................................ 10
2.4 Một số phương pháp toán học giải bài toán tối ưu vị trí đặt thiết bị trên
lưới điện ............................................................................................................... 11
2.4.1 Quy hoạch tuyến tính nguyên thực hỗn hợp ............................. 11
2.4.2 Phân rã Bender (Bender Decomposition) ................................. 11
2.4.3 Các phương pháp heuristic........................................................ 12
2.5 Kết luận .................................................................................................... 19
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ
ĐẶT KHÁNG ĐIỆN KẾT HỢP MỞ VÒNG TÁCH THANH CÁI TRÊN
LƯỚI ĐIỆN ........................................................................................................ 20
3.1 Mô hình tính toán dòng ngắn mạch 3 pha đối xứng sử dụng ZBUS ....... 20
3.2 Tính toán ma trận tổng trở ZBUS. ........................................................... 22
3.3 Cập nhật ma trận tổng trở ZBUS. ............................................................ 27
3.4 Mô phỏng phương pháp tối ưu hóa vị trí và kích thước của kháng điện kết
hợp tái cấu trúc lưới. ............................................................................................ 29
3.5 Kết luận .................................................................................................... 30
CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TRÊN LƯỚI ĐIỆN MẪU VÀ LƯỚI
ĐIỆN THỰC TẾ................................................................................................. 32
4.1 Lưới điện 30 nút IEEE ............................................................................. 32
4.2 Lưới điện miền Bắc Việt Nam ................................................................. 34
4.2.1 Hiện trạng hệ thống điện ........................................................... 35
4.2.2 Kết quả bài toán tối ưu, nhận xét, đánh giá kết quả. ................. 38
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 44
5.1 Kết luận .................................................................................................... 44
5.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai ........................................ 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 46
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 49
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Mở vòng trong hệ thống điện .................................................................. 7
Hình 2.2 FCL loại cầu với nguồn một chiều .......................................................... 8
Hình 2.3 Trí tuệ nhân tạo và các yếu tố tác động................................................. 13
Hình 2.4 Các mốc quan trọng trong sự phát triển của ngành trí tuệ nhân tạo ..... 13
Hình 2.5 Sơ đồ quá trình tính toán của thuật toán di truyền ................................ 17
Hình 3.1 Mô hình lưới khi chưa có kháng điện ................................................... 28
Hình 3.2 Mô hình lưới khi có kháng điện ............................................................ 28
Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán bài toán tối ưu .......................................................... 30
Hình 4.1 Lưới điện 30 nút IEEE .......................................................................... 32
Hình 4.2 Phân vùng hệ thống điện ....................................................................... 35
Hình 4.3 Kết quả bài toán tối ưu .......................................................................... 39
Hình 4.4 Dòng ngắn mạch tính toán lớn nhất thanh cái 110kV ........................... 39
Hình 4.5 Trào lưu công suất trong chế độ vận hành bình thường ....................... 40
Hình 4.6 Trào lưu công suất trong chế độ sự cố N – 1 ........................................ 41
Hình 4.7 Tổn thất điện áp trong chế độ vận hành bình thường ........................... 41
Hình 4.8 Tổn thất điện áp trong chế độ sự cố N-1 ............................................... 42
Hình 4.9 Qmin tại 10 nút đặt kháng điện trong chế độ bình thường ................... 42
Hình 4.10 Qmin tại 1 nút trong chế độ sự cố N-1 ................................................ 43
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Chi phí kháng điện ................................................................................ 29
Bảng 4.1 Thông số dòng ngắn mạch lưới điện IEEE 30 nút................................ 33
Bảng 4.2 Chi phí thiết bị ...................................................................................... 33
Bảng 4.3 Kết quả bài toán tối ưu với lưới điện IEEE 30 nút ............................... 33
Bảng 4.4 Dòng ngắn mạch trước và sau khi đặt kháng điện................................ 34
Bảng 4.5 Thông số nguồn hệ thống điện miền Bắc Việt Nam ............................ 37
Bảng 4.6 Thông số trạm biến áp miền Bắc Việt Nam ......................................... 37
Bảng 4.7 Thông số đường dây lưới điện miền Bắc Việt Nam ............................. 38
Bảng 4.8 Kết quả dòng ngắn mạch thanh cái 110kV có giá trị >30kA ............... 38
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Với sự tăng lên về quy mô của hệ thống điện Việt Nam, các tổ máy công
suất lớn từ các nhà máy mới cùng một số loại nguồn phát công suất như gió và
năng lượng tái tạo được lắp đặt gần các khu vực lớn, hệ thống lưới truyền tải
ngày càng được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của phụ tải gia tăng hàng năm. Việc
phát triển hệ thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên cứu hàng năm về cường độ
dòng ngắn mạch khi xảy ra sự cố tại các nút trạm quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc
khu vực phía Bắc, cường độ dòng ngắn mạch tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất
cho phép hoạt động của hệ thống điện Việt Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn
dòng cắt cho phép của máy cắt, điểm sự cố có thể không được loại trừ ngay lập
tức bởi máy cắt khi đó bị sự cố, việc này có thể gây hư hỏng các dây cáp điện,
máy biến áp và các thiết bị điện tử khác. Vì thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch
sự cố là mối đe dọa nghiêm trọng tới ổn định trong vận hành hệ thống điện và
cần có sự quan tâm thỏa đáng.
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như:
Thay đổi chế độ làm việc của điểm trung tính.
Thay đổi một số đoạn đường dây từ AC sang DC
Mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới
Đặt kháng điện tại điểm trung tính
Tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp
Đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (fault current limiter) trên lưới
điện
Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu khoa học đề
xuất các thuật toán khác nhau giải quyết bài toán tối ưu hóa nguyên thực hỗn
hợp. Một số nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu tìm kiếm như giải thuật di
truyền (GA), tối ưu bầy đàn (PSO), ... Các thuật toán này có ưu điểm giải
nhanh, dễ hội tụ, giải quyết được các bài toán phức tạp. Tuy nhiên, tổn thất
công suất, điện áp, trào lưu công suất, khả năng điều chỉnh điện áp nút, chưa
được xem xét đến trong các bài báo này
1
Luận văn này đề xuất việc áp dụng thuật toán giải thuật di truyền cho hai
phương pháp đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (kháng điện) và phương pháp
tách (phân đoạn) thanh cái trên lưới truyền tải 110kV miền Bắc, qua đó tìm ra vị
trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn mạch hoặc tách thanh cái sao cho tối ưu
hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống
điện. Trong nghiên cứu này, tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút
110kV thuộc khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSSE của SIEMEN, kết hợp công cụ giải toán tối ưu sử dụng phần mềm
MATLAB/Simulink để đánh giá kết quả của bài toán.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Xuất phát từ các vấn đề đặt ra trên, nghiên cứu sẽ xem xét các vấn đề xung
quanh việc xây dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới. Mục tiêu chính của đề tài như sau:
- Đề xuất dựng mô hình thuật toán giải bài toán tối ưu vị trí đặt kháng điện
kết hợp tái cấu trúc lưới, tối ưu hóa chi phí đầu tư và đảm bảo yêu cầu về
mặt kĩ thuật đặt ra.
- Đưa ra cấu hình lưới sau khi giải bài toán tối ưu với phương pháp đề xuất,
tiến hành đánh giá kết quả theo khía cạnh đảm bảo các yếu tố về mặt vận
hành như: trào lưu công suất, tổn thất điện áp, khả năng điều chỉnh điện
áp, từ đó rút ra kết luận.
1.3 Nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nhằm tìm ra vị trí để đặt các thiết bị giảm dòng ngắn
mạch cũng như mở vòng sao cho tối ưu hóa về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo
các yêu cầu kĩ thuật khi vận hành hệ thống điện. Thuật toán sẽ tìm ra được các vị
trí đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch và mở vòng tối ưu từ sơ đồ lưới điện ban
đầu.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu, các bài báo
khoa học liên quan đến quy hoạch, các phương pháp tối ưu.
- Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình toán:
o Tiến hành thử nghiệm mô phỏng sự cố trên các nút 110kV thuộc
khu vực miền Bắc thông qua công cụ mô phỏng sử dụng phần mềm
PSS/E của SIEMENS.
o Mô hình hóa, lập trình để giải bài toán tối ưu lưới điện truyền tải
trên phần mềm MATLAB/Simulink tích hợp việc phân tích để
đánh giá kết quả bài toán.
1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
2
Mô hình thuật toán tối ưu được xây dựng trong luận văn hoàn toàn có thể
được sử dụng để kiểm nghiệm với số liệu thực tế của hệ thống điện Việt Nam, áp
dụng cho lưới điện của các tổng công ty NPC, SPC, HNPC và HCMPC. Mô hình
bài toán cũng có thể được cải tiến cho phép hạn chế dòng ngắn mạch tại các xuất
tuyến trung thế. Thực tế giá trị dòng ngắn mạch tại các vị trí này cũng rất đuợc
quan tâm do số lượng máy biến áp trung thế là rất lớn, và cũng xuất hiện hiện
tượng dòng ngắn mạch gây hư hỏng máy biến áp.
3
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN DÒNG NGẮN MẠCH LƯỚI
ĐIỆN 220 – 110kV miền Bắc VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI
Quy hoạch hệ thống năng lượng nói chung cũng như quy hoạch hệ thống
điện nói riêng là vấn đề rất được quan tâm trên thế giới, đặc biệt tại các nước
đang phát triển như Việt Nam. Theo kịch bản dự báo cơ sở trong Quy hoạch
Điện VII hiệu chỉnh, tốc độ tăng trưởng của kinh tế Việt Nam sẽ ở mức 7%/năm
trong giai đoạn 2017-2030. Để đáp ứng sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, hệ
thống điện cần được quy hoạch kịp thời, có phương pháp thực hiện phù hợp. Với
sự tăng lên về quy mô của hệ thống điện Việt Nam, các tổ máy công suất lớn từ
các nhà máy mới cùng một số loại nguồn phát công suất như gió và năng lượng
tái tạo được lắp đặt gần các khu vực lớn, hệ thống lưới truyền tải ngày càng được
mở rộng để đáp ứng nhu cầu của phụ tải gia tăng hàng năm. Việc phát triển hệ
thống đòi hỏi sự quan sát và nghiên cứu hàng năm về cường độ dòng ngắn mạch
khi xảy ra sự cố tại các nút trạm quan trọng. Ở nhiều vùng thuộc khu vực phía
Bắc, cường độ dòng ngắn mạch tăng lên vượt quá giá trị lớn nhất cho phép hoạt
động của hệ thống điện Việt Nam. Nếu dòng ngắn mạch lớn hơn dòng cắt cho
phép của máy cắt, điểm sự cố có thể không được loại trừ ngay lập tức bởi máy
cắt khi đó bị sự cố, việc này có thể gây hư hỏng các dây cáp điện, máy biến áp và
các thiết bị điện tử khác. Vì thế, sự tăng lên của dòng ngắn mạch sự cố là mối đe
dọa nghiêm trọng tới ổn định trong vận hành hệ thống điện và cần có sự quan
tâm thỏa đáng.
Chương 2 trình bày các lý thuyết tổng quan về bài toán tối ưu nhằm giảm
dòng ngắn mạch lưới điện truyền tải và một số phương pháp giải đã được nghiên
cứu trong những năm trở lại đây, từ đó đưa ra các đánh giá, phân tích ưu, nhược
điểm của từng phương pháp.
2.1 Tổng quan về dòng ngắn mạch lưới điện 220 - 110kV miền Bắc
2.1.1 Tổng quan
Lưới truyền tải là tập các đường dây nối giữa các nguồn điện và phụ tải
điện. Năm 2020, dòng ngắn mạch trên lưới điện miền Bắc tiếp tục tăng cao, dòng
ngắn mạch vượt quá khả năng cắt các MC:
- Phía 220kV (10 TBA): TĐ Hòa Bình, NĐ Phả Lại, T500 Hiệp Hòa,
Thường Tín, T220 Hà Đông, Sóc Sơn, Vân Trì, Đồng Hòa, Vật
Cách, Tràng Bạch.
- Phía 110kV (31 TBA): NĐ Phả Lại, T500 Đông Anh, T220 Mai
Động, Hà Đông, Chèm, Thành Công, Sóc Sơn, Vân Trì, Tây Hồ,
Nam Định, Bắc Giang, Ninh Bình, Vĩnh Yên, Bắc Ninh, Phố Nối;
T110 Đông Anh, Thượng Đình, Phương Liệt, Yên Phụ, Đông Anh
2, Quốc Oai, Minh Khai, Giám, Thanh Nhàn, Long Biên, CV Thủ
4
Lệ, Hà Đông 2, Trần Hưng Đạo, An Lạc, Thép Hòa Phát, Đồng
Niên.
Kết quả của bài toán tối ưu trí đặt kháng điện kết hợp tái cấu trúc lưới điện
là cơ sở khoa học cho việc áp dụng các biện pháp giảm dòng ngắn mạch trên hệ
thống điện trong thực tế. Thời gian và mức độ chi tiết phụ thuộc vào loại quy
hoạch thực hiện.
Nguyên tắc cơ bản của bài toán tối ưu là tối thiểu hóa chi phí đầu tư và vận
hành sao cho đáp ứng các yêu cầu cung cấp điện an toàn, ổn định và tin cậy cho
phụ tải. Các yêu cầu bao gồm:
- Yêu cầu trong chế độ làm việc bình thường: Khi hệ thống điện làm
việc ở chế độ bình thường, các thông số chế độ về dòng điện, điện
áp nằm trong phạm vi cho phép.
- Yêu cầu trong chế độ sự cố: Khi xảy ra sự cố phần tử trong hệ
thống điện, dòng ngắn mạch phải được đảm bảo không vượt quá
khả năng cắt của các máy cắt theo quy định.
So với quy hoạch nguồn, quy hoạch lưới điện phức tạp hơn. Thứ nhất, quy
hoạch lưới điện phải xem xét đến cấu trúc lưới điện thực tế, do đó kích thước của
bài toán quy hoạch lưới điện thường lớn hơn bài toán quy hoạch nguồn điện. Thứ
hai, ràng buộc trong bài toán quy hoạch lưới điện rất phức tạp, bao gồm cả các
ràng buộc phi tuyến (ràng buộc về điện áp, trào lưu công suất xoay chiều,…) và
các ràng buộc vi phân (ràng buộc về ổn định,…). Vì vậy, rất khó có thể biểu diễn
và giải bài toán quy hoạch lưới điện với đầy đủ các ràng buộc bằng mô hình toán
học.
Để khắc phục khó khăn trên, việc kết hợp giữa kinh nghiệm của con người
và sự tự động hóa của các thuật toán sẽ giúp nâng cao hiệu quả của bài toán, cải
thiện thời gian tính toán. Bước đánh giá lại các phương án thường bao gồm: kiểm
tra trào lưu công suất; kiểm tra ổn định, điện áp; đánh giá các chỉ tiêu kinh tế;
đánh giá sự phù hợp với chính sách,…Qua việc đánh giá các phương án, cấu hình
lưới điện có thể được hiệu chỉnh và cải thiện, từ đó lựa chọn được phương án tối
ưu đáp ứng tốt nhất các tiêu chí đã đặt ra.
2.2 Các phương pháp giảm dòng ngắn mạch trên lưới điện
Một trong những giải pháp nhằm chống lại sự tăng lên của cường độ dòng
ngắn mạch sự cố là thay thế một loạt các máy cắt hiện tại bằng các máy cắt công
suất lớn và tốc độ đóng cắt cao, điều này làm tăng chi phí ban đầu và không hiệu
quả về mặt kinh tế. Thay vì đó, nhiều kĩ thuật khác nhau được nhắm đến để giảm
cường độ dòng ngắn mạch sự cố như:
Thay đổi chế độ làm việc của điểm trung tính.
Thay đổi một số đoạn đường dây từ AC sang DC.
5
Mở vòng trong các chế độ vận hành thích hợp trên lưới.
Đặt kháng điện tại điểm trung tính
Tách (phân đoạn) thanh cái tại các nút phù hợp
Đặt thiết bị giảm dòng ngắn mạch (fault current limiter) trên lưới điện.
Trên thực tế hệ thống điện khu vực miền Bắc ở Việt Nam hiện nay, một số
giải pháp giảm dòng ngắn mạch được đề xuất thực hiện gồm có:
Giải pháp về thay đổi kết dây điều chỉnh quy hoạch:
o Xem xét điều chỉnh bổ sung vào quy hoạch điện lực giải pháp sử
dụng đường dây liên kết một chiều giữa các vùng.
o Sử dụng MBA 3 cuộn dây
o Lắp đặt các MBA 500kV, 220kV các trạm có thông số điện kháng
ngắn mạch cao (như các MBA AT lắp tại Formosa, …)
Giải pháp về đầu tư, thay thế, hoán chuyển thiết bị: rà soát, kiểm tra và có
giải pháp điều chuyển hoán đổi hoặc thay thế thiết bị đảm bảo an toàn vận
hành và phù hợp tổng sơ đồ đã được phê duyệt đối với các trường hợp
dòng điện ngắn mạch các trạm, nhà máy vượt quá giới hạn cho phép:
o Lắp đặt kháng đầu cực máy phát đối với các tổ máy phát điện
không đảm bảo thông số theo quy định tại mục 3 Điều 12 Thông tư
25/2016/TT-BCT ngày 30/11/2016 [2].
o Lắp kháng giảm dòng ngắn mạch, điều chuyển các kháng giảm
dòng ngắn mạch dự kiến lắp đặt tại Nghi Sơn, Mai Động sang các
TBA khác đang có dòng ngắn mạch vượt quá khả năng cắt của các
MC.
o Điều chuyển hoán đổi, thay MC, đặc biệt là các MC 110kV có
dòng cắt ngắn mạch định mức loại 25kA.
Các giải pháp về vận hành: Tái cấu trúc lưới, mở vòng tách tại các vị trí
thích hợp để giảm dòng ngắn mạch.
2.2.1 Phương pháp mở vòng tách thanh cái trong các chế độ vận
hành thích hợp
Phương pháp mở vòng trên lưới điện có thể được sử dụng trong vận hành
hệ thống điện như một phương pháp cấp bách [3]. Việc mở vòng được thực hiện
chủ yếu trên các thanh cái chính phân đoạn bằng máy cắt liên lạc của các trạm
6
biến áp. Biện pháp này góp phần làm giảm cường độ dòng ngắn mạch sự cố do
sự tăng lên của tổng trở từ nguồn phát tới điểm sự cố.
Hình 2.1 Mở vòng trong hệ thống điện
Ưu điểm của biện pháp là dễ dàng sử dụng, hiệu quả tương đối cao và tốn
ít chi phí kinh tế. Tuy vậy, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định,
đặc biệt có thể gây ảnh hưởng tới sự làm việc ổn định và tin cậy trong vận hành
hệ thống điện, và cũng làm tăng tổn thất công suất trên lưới điện. Vì vậy đòi hỏi
phải có những biện pháp kiểm tra, phân tích nghiêm ngặt để lựa chọn biện pháp
phù hợp như: kiểm tra việc đảm bảo độ tin cậy với sự cố N-1 (N-1 AC
Contingency analysis).
2.2.2 Phương pháp sử dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (Fault
Current Limiter)
Việc cài đặt FCL trên các đường dây như là một giải pháp cho vấn đề đặt ra
[4], nó hạn chế dòng điện ngắn mạch và cho phép duy trì hoạt động của các thiết
bị bảo vệ, tạo hiệu ra quả về mặt kinh tế. Thiết bị FCL có trở kháng rất thấp (by
pass) dưới điều kiện làm việc bình thường của hệ thống điện, nhưng khi kích
hoạt sẽ có tổng trở lớn và có tác dụng làm giảm dòng ngắn mạch sự cố trên lưới
điện [5].
FCLs loại cầu (Bridge-type FCLs) là một trong những sản phẩm thuộc công
nghệ FCLs rắn, đặc tính cơ bản của FCLs loại này được trình bày trong hình sau:
7
Hình 2.2 FCL loại cầu với nguồn một chiều
FCL loại này gồm 4 diot (1,2,3,4) được sắp xếp theo một mạch cầu, một
trở kháng ZFCL và một nguồn một chiều (dc) được mắc nối tiếp giữa nguồn và tải.
Nguồn một chiều cung cấp một dòng dc chạy qua 4 thyristor và cuộn kháng ZFCL.
Nguyên lý làm việc của FCL:
Khi hệ thống hoạt động bình thường, với dòng tải nhỏ hơn dòng một
chiều, khi đó dòng xoay chiều được xếp chồng lên dòng một chiều trong
diot. Ví dụ, trong nửa chu kỳ với dòng điện dương chạy qua, dòng xoay
chiều được cộng thêm với dòng một chiều trong các diot 2 và 3. Và bị trừ
đi trong các diot 1 và 4, dòng điện qua các diot này vẫn dương nếu biên độ
dòng xoay chiều nhỏ hơn biên độ dòng một chiều. Điều này thỏa mãn
định luật kirchhoff 1 (tổng dòng vào bằng tổng dòng ra), có nghĩa là
không có dòng chạy qua ZFCL (tổng trở giới hạn dòng ngắn mạch của
FCL không được thêm vào hệ thống ở chế độ bình thường).
Khi tổng trở tải giảm xuống, tương đương với trường hợp xảy ra ngắn
mạch, dòng sự cố tăng lên vượt quá dòng một chiều (DC) và làm ngắt một
cặp diot D1-D4 hoặc D2-D3 trong mỗi nửa chu kỳ hoạt động. Cụ thể, ở
nửa chu kỳ dương, dòng xoay chiều được cộng thêm với dòng một chiều
trong các diot 2 và 3, khi đó 2 diot này thông và dòng chạy qua D2 sau đó
qua ZFCL và D3, và bị trừ đi trong các diot 1 và 4, khi đó dòng xoay
chiều lớn hơn dòng 1 chiều làm cho 2 diot này bị khóa, ở nửa chu kỳ âm
quá trình ngược lại, D1-D4 dẫn còn D2-D3 bị khóa. Do đó, dòng sự cố
được chạy qua tổng trở giới hạn ZFCL. Sử dụng FCL loại này không có
thời gian trễ. Việc kích hoạt mức phát hiện sự cố có thể được điều chỉnh
bởi giá trị của dòng một chiều.
8