Tối ưu tham số điều khiển của thiết bị điều chỉnh dòng công suất hợp nhất (UPFC) cho lưới điện truyền tải

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 8 - 2015 
1
TỐI ƯU THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH 
DÒNG CÔNG SUẤT HỢP NHẤT (UPFC) 
CHO LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI 
OPTIMAL CONTROL PARAMETER SETTINGS OF UNIFIED POWER 
FLOW CONTROLLER (UPFC) IN TRANSMISSION NETWORKS 
Trần Anh Tùng, Nguyễn Nhất Tùng 
Trường Đại học Điện lực 
Tóm tắt: 
Sự phát triển không ngừng của phụ tải điện trong giai đoạn hiện nay dẫn đến tình trạng quá 
tải thường xuyên của các đường dây truyền tải. Vấn đề này ảnh hưởng đến tính ổn định và độ 
tin cậy vận hành của hệ thống điện. 
Một trong các giải pháp để tránh quá tải cho các đường dây là phân bố tối ưu dòng công suất 
trên lưới điện bằng cách sử dụng thiết bị điều chỉnh dòng công suất hợp nhất UPFC (Unified 
Power Flow Controller). Trong bài báo này, vấn đề lựa chọn vị trí đặt của thiết bị UPFC được 
tính toán trên mô hình lưới điện mẫu. 
Từ khóa: 
UPFC, phân bố tối ưu công suất, quá tải, hệ thống điện. 
Abstract: 
In recent years, the increase in loads has caused overload of several transmission lines. This 
could affect the stability and reliable operation of the power system. To avoid the overload of 
transmission lines, optimal power distribution is one of the best solutions, using unified power 
flow controller (UPFC). In this paper, the allocation of UPFC is calculated on a IEEE - 6 bus 
system. Optimal operation parameters of the device are also determined at the chosen 
location. 
Keywords: 
UPFC, optimal power distribution, overload, power system. 
1. GIỚI THIỆU CHUNG1 
Sự phát triển nhanh cộng với phân bố 
Ngày nhận bài: 02/09/2014; Ngày chấp nhận: 
04/11/2014; Phản biện: PGS.TS Nguyễn 
Văn Liễn 
phụ tải xa trung tâm sản xuất điện đã 
làm cho sự quá tải trên các đường dây 
truyền tải ngày càng rõ nét. Mặt khác, 
biện pháp xây dựng lưới điện mới có 
rất nhiều hạn chế như: chi phí cao, thời 
gian lâu, vấn đề pháp lý và giải phóng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 8 - 2015 
2
mặt bằng... Trong bối cảnh đó, các thiết 
bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt 
FACTS (Flexible Alternating Current 
Transmission System) được biết đến 
như giải pháp tối ưu cho phép nâng cao 
khả năng truyền tải, cải thiện ổn định 
của hệ thống điện [1, 2]. Trong số các 
thiết bị FACTS, UPFC là một thiết bị 
có tính khả thi cao nhất. Thiết bị này có 
thể cung cấp sự điều khiển đồng thời và 
độc lập đối với các tham số hệ thống 
quan trọng như: dòng công suất tác 
dụng, dòng công suất phản kháng, tổng 
trở và điện áp [3]. Thiết bị này còn 
cung cấp các chức năng linh hoạt cho 
các ứng dụng kết hợp điều khiển góc 
pha với các chức năng bù dọc và bù 
ngang. Các chế độ vận hành của UPFC 
có thể được thay đổi mà không phải tác 
động đến phần cứng cho phép thích 
ứng với các sự thay đổi đặc biệt của hệ 
thống điện. Chính vì vậy, bài toán quá 
tải của các đường dây có thể được loại 
trừ bằng cách phân bố tối ưu dòng công 
suất trên lưới điện thông qua việc sử 
dụng UPFC [4]. 
Tuy nhiên, vấn đề lựa chọn điểm đặt 
của UPFC trên lưới điện cần phải được 
nghiên cứu để tìm ra vị trí đặt phù hợp 
nhất thỏa mãn điều kiện tổn thất công 
suất tác dụng của lưới điện đạt cực tiểu. 
Bài báo này từ đó đề cập đến việc lựa 
chọn điểm đặt của thiết bị UPFC và xác 
định tham số điều khiển tối ưu của thiết 
bị sao cho đạt tiêu chí tổn thất công 
suất tác dụng trên lưới cực tiểu. 
2. CẤU TẠO VÀ MÔ HÌNH TOÁN 
HỌC CỦA UPFC 
Thiết bị UPFC cấu tạo bao gồm hai 
máy biến áp (MBA) và hai bộ biến đổi 
dạng nghịch lưu áp được kết nối theo 
kiểu lưng tựa lưng, liên kết với tụ DC 
dự trữ công suất như minh họa trên 
hình 1. 
Hình 1. Cấu tạo của thiết bị UPFC 
Bộ biến đổi 1 (CONV1) được kết nối 
ngang và bộ biến đổi 2 (CONV2) được 
kết nối dọc với đường dây. Bộ biến 
đổi ngang CONV1 được sử dụng chủ 
yếu để cung cấp công suất tác dụng 
được yêu cầu từ bộ biến đổi nối tiếp 
CONV2, thông qua một liên kết DC 
chung. Bộ CONV1 cũng có thể bơm 
hoặc tiêu thụ công suất phản kháng khi 
cần, và từ đó cung cấp một cách độc 
lập khả năng bù công suất phản kháng 
cho đường dây. Bộ CONV2 cung cấp 
chức năng chính của UPFC bằng cách 
đưa thêm vào một nguồn điện áp nối 
tiếp với đường dây, với biên độ và góc 
pha điều chỉnh được, minh họa trên 
mô hình hai nguồn điện áp của UPFC 
(hình 2). 
Hình 2. Mô hình hai nguồn điện áp của UPFC 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 8 - 2015 
3
Điện kháng Xs mô tả điện kháng nhìn 
từ phía MBA dọc và được tính (trong 
đơn vị tương đối) như sau: 
 = 
 (


) (1) 
Trong đó, Xk: điện kháng của máy biến 
áp dọc, rmax: giá trị cực đại đơn vị của 
điện áp được bơm thêm vào, Vse, SB: 
công suất cơ bản của hệ thống, SS: công 
suất định mức của bộ biến đổi nối tiếp 
CONV2. 
UPFC có thể được mô hình hóa thông 
qua ba tham số: công suất phản kháng 
Qconv1 của CONV1, biên độ r và góc 
pha γ của nguồn điện áp nối tiếp được 
bơm thêm vào Vse. 
Nguồn điện áp nối tiếp được mô hình 
hóa bởi nguồn áp nối tiếp lý tưởng Vse, 
với biên độ và góc pha có thể điều 
khiển được. 
 = 
 
Với 0 ≤  ≤ , và 0 ≤  ≤ 2. 
Mô hình toán học của UPFC được 
phát triển bởi việc thay thế các nguồn 
điện áp và các điện kháng bởi các 
nguồn công suất bơm vào các nút i và j 
như hình 3. 
Hình 3. Mô hình toán học của UPFC 
Trong đó i là nút gửi và j là nút nhận. 
Các dòng công suất bơm thêm vào các 
nút i và j do sự có mặt của UPFC lần 
lượt là Pi,upfc, Qi,upfc, Pj,upfc, Qj,upfc có 
biểu thức như sau: 
, = 0.02
 sin  −
1.02 sin( −  + ) (2) 
, =  sin −  +  (3) 
, = −
 cos  (4) 
, =  cos( −  + )(5) 
với bse = 1/Xs 
3. KẾT QUẢ 
3.1. Lựa chọn điểm đặt của UPFC 
Bài toán được áp dụng trong một lưới 
mẫu chuẩn 6 nút của IEEE như hình 4. 
Các tính toán được thực hiện bằng 
chương trình viết trên phần mềm 
Matlab. 
Hình 4. Sơ đồ lưới điện IEEE – 6 nút 
Thông số các đường dây của lưới điện 
được giới thiệu trong bảng 1. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 8 - 2015 
4
Bảng 1. Thông số đường dây của lưới điện 
Từ 
nút 
Tới 
nút 
R (pu) X (pu) 
B/2 
(pu) 
1 
1 
1 
2 
2 
2 
2 
3 
3 
4 
5 
2 
5 
6 
3 
4 
5 
6 
4 
5 
5 
6 
0.1 
0.08 
0.05 
0.05 
0.07 
0.1 
0.05 
0.02 
0.12 
0.1 
0.2 
0.2 
0.3 
0.2 
0.25 
0.2 
0.3 
0.1 
0.1 
0.26 
0.3 
0.4 
0.02 
0.03 
0.02 
0.03 
0.025 
0.02 
0.01 
0.01 
0.025 
0.02 
0.04 
Thông số các nút của lưới điện được 
giới thiệu trong bảng 2. 
Bảng 2. Thông số đường dây của lưới điện 
Số 
nút 
Loại 
nút 
Điện 
áp 
(pu) 
Pgen 
(pu) 
Pload 
(pu) 
Qload 
(pu) 
1 Nút cân 
bằng 
2 Nút 
nguồn 
PV 
1.05 0.5 0 0 
3 Nút 
nguồn 
PV 
1.05 0.6 0 0 
4 Nút tải 1.07 0 0.7 0.7 
5 Nút tải 0 0.7 0.7 
6 Nút tải 0 1.7 1.7 
Thiết bị UPFC sẽ được đặt lần lượt tại 
các nút tải (kết nối với nút tải và nằm 
trong các nhánh khác nhau). Với mỗi vị 
trí đặt UPFC, trào lưu công suất được 
tính toán sử dụng phương pháp 
Newton-Raphson. Lưu đồ thuật toán 
giải tích lưới điện khi có mặt UPFC 
được minh họa trên hình 5. 
Tổn thất công suất tác dụng của lưới 
điện được xác định sau khi tính toán 
trào lưu công suất đối với vị trí đặt 
UPFC đang xét. Sau đó, quá trình được 
lặp lại khi UPFC được đặt tại một vị trí 
mới. Quá trình tính toán kết thúc khi 
xác định được vị trí đặt UPFC nào cho 
phép đạt được tổn thất công suất tác 
dụng của lưới điện cực tiểu. Thuật toán 
xác định vị trí đặt của UPFC được 
minh họa trên hình 6. 
Trong các tính toán kể trên, các tham 
số vận hành r và góc pha γ của nguồn 
điện áp nối tiếp Vse của UPFC được 
chọn như sau: r = 0.01 (r có thể nằm 
trong khoảng 0≤ r ≤0.05), γ = 240°, 
điện kháng của CONV2 của UPFC 
Xk = 0.8, rmax = 0.05, Sconv2 = 50 MVA. 
Kết quả tính toán tổn thất công suất tác 
dụng của lưới điện với các vị trí đặt 
khác nhau của UPFC được giới thiệu 
trên hình 7. Từ kết quả này ta thấy, 
phần lớn các trường hợp tổn thất công 
suất tác dụng của lưới điện được giảm 
khi có mặt thiết bị UPFC trên lưới. 
Trong đó, vị trí đặt UPFC tại nút 6 
trong nhánh 1-6 cho phép đạt được tổn 
thất công suất tác dụng của lưới nhỏ 
nhất (0.1346 pu). Do đó, vị trí này được 
lựa chọn để đặt UPFC. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 8 - 2015 
5
Hình 5. Lưu đồ thuật toán Newton-Raphson trong giải tích lưới điện 
khi có mặt thiết bị UPFC trên lưới 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 8 - 2015 
6
Hình 6. Thuật toán tìm điểm đặt của UPFC trên lưới điện 
Hình 7. Tổn thất công suất tác dụng của lưới điện khi đặt UPFC ở các vị trí khác nhau
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
ANhánh 1-6
Nút 6
Nhánh 2-6
Nút 6
Nhánh 5-6
Nút 6
Nhánh 5-6
Nút 5
Nhánh 4-5
Nút 5
Nhánh 3-5
Nút 5
Nhánh 2-5
Nút 5
Nhánh 1-5
Nút 5
Nhánh 2-4
Nút 4
Nhánh 3-4
Nút 4
Nhánh 4-5
Nút 4
Tổn thất công suất tác dụng khi có mặt UPFC
Tổn thất công suất tác dụng khi chưa có UPFC
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
SỐ 8 - 2015 
7
3.2. Lựa chọn tham số điều khiển 
của UPFC 
Với vị trí lựa chọn đặt tại nút 6 trong 
nhánh 1-6, ảnh hưởng của tham số điều 
khiển của UPFC đến điện áp của nút 6 
được nghiên cứu. Kết quả tính toán sự 
thay đổi của điện áp nút 6 với sự biến 
thiên tham số điều khiển r từ 0.01 đến 
0.05 tương ứng với 3 trường hợp góc 
γ = 0°, 120° và 240° được thể hiện trên 
hình 8. 
Tổn thất công suất tác dụng của lưới 
điện khi thay đổi các giá trị của tham số 
điều khiển r từ 0.01 đến 0.05 ứng với 
các góc điều khiển γ = 0°; 120° và 240° 
được thể hiện trên hình 9. 
Hình 8. Sự thay đổi của mô đun điện áp nút 6 
khi thay đổi các tham số điều khiển của UPFC 
Các kết quả (hình 8 và hình 9) cho thấy 
tham số điều khiển r chọn bằng giá trị 
0.025 và γ = 240° cho phép cải thiện 
điện áp của nút 6 (bằng 1.04pu) và tổn 
thất công suất tác dụng của lưới điện là 
thấp nhất (bằng 0.1pu). 
Hình 9. Tổn thất công suất tác dụng 
 của lưới điện khi thay đổi các tham số 
điều khiển của UPFC 
4. KẾT LUẬN 
Việc nghiên cứu lựa chọn điểm đặt và 
các tham số điều khiển tối ưu của 
UPFC cho phép cải thiện điện áp của 
nút được kết nối và làm giảm tổn thất 
công suất tác dụng của lưới điện đã 
được thực hiện trên một mô hình lưới 
điện chuẩn IEEE. 
Tiếp theo, kết quả nghiên cứu ảnh 
hưởng của tham số điều khiển tới điện 
áp của nút được lựa chọn và tổn thất 
công suất tác dụng của toàn lưới điện 
được thực hiện. Đây là các kết quả 
bước đầu hết sức khả quan, cho thấy 
tính ứng dụng cao nếu được sử dụng 
trong lưới điện thực tế. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Ramirez, J.M., D’avalos, R.J., and Valenzuela Coronado, I.A.:‘FACTS based stabilizers 
coordination’, Electr. Power Energy Syst.,02, pp.233–243. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 8 - 2015 
8
[2] DGaliana, K. Almeida, M.Toussaint, J.Griffin, D. Atanackovice, "Assessment and Control 
of the FACTS Devices on Power Performance", System IEEE Trans. Power Systems, 
vol.11, Nov.96, no.4, pp.1931-1936. 
[3] L. Gyugyi, “A unified power flow control concept for flexible AC transmission systems”, 
IEE Proc., Part-C, Vol.139, No.4, Jul.92, pp.323-331. 
[4] S. N. Singh, I. Erlich, “Locating unified power flow controller for enhancing power system 
loadability”, International Conference on Future Power System, 16 -18, Nov. 2005, 
pp.1–5. 
[5] C. R. Puerle-Esquivel and E. Acha, “A Newton-type algorithm for the control of power 
flow in electrical power networks”, IEEE Trans. Power System, Vol. 12, no. 4, Nov. 1997, 
pp. 1474-1480. 
[6] Fang, W.L., and Ngan, H.W.: ‘Control setting of unified power flow controllers through 
a robust load flow calculation’, IEE Proc., Gener.Transm.Distrib., 1999, 146, (4), 
pp. 365–369. 
Giới thiệu tác giả: 
Tiến sĩ Trần Anh Tùng sinh năm 1984 tại Hà Nội, tốt nghiệp chuyên 
ngành Hệ thống điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2007, tốt 
nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật điện tại Học viện Công nghệ Grenoble, Pháp 
năm 2008, nhận bằng Tiến sĩ Kỹ thuật điện tại Đại học Toulouse III, 
Pháp năm 2011. Tác giả hiện nay đang công tác tại Khoa Hệ thống 
điện - Trường Đại học Điện lực. Lĩnh vực quan tâm nghiên cứu bao 
gồm các thiết bị FACTS, vật liệu cách điện cho cáp điện lực, kỹ thuật 
điện cao áp. 
Tiến sĩ Nguyễn Nhất Tùng sinh năm 1982, tốt nghiệp Trường Đại học 
Bách khoa Hà Nội năm 2005, nhận bằng Thạc sĩ năm 2006, Tiến sĩ năm 
2009 tại Grenoble-INP - Pháp chuyên ngành Hệ thống điện và thiết bị 
điện. Tác giả có nhiều năm kinh nghiệm trong việc tính toán các phần 
tử hạn chế dòng điện ngắn mạch, đặc biệt là phần tử hạn chế dòng 
điện ngắn mạch có sử dụng tính chất của vật liệu siêu dẫn, đồng thời 
nghiên cứu phát hiện sự cố trong máy điện và sử dụng điện thông 
minh, năng lượng mới. Hiện tác giả đang công tác tại Khoa Hệ thống 
điện - Trường Đại học Điện lực. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
 SỐ 8 - 2015 
0
 11