Âng cao ổn định điện áp sử dụng thiết bị FACTS

Nội dung text: Âng cao ổn định điện áp sử dụng thiết bị FACTS

1. NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS IMPROVING OF VOLTAGE STABILITY BY USING FACTS DEVICES Nguyễn Thanh Khiết1, Dương Thanh Long2 1Học viên cao học, Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM 2Trường đại học Công Nghiệp Tp.HCM TÓM TẮT systems, this is the sensitivity analysis method of line stability index. From this Do chưa đáp ứng được nhu cầu năng index can evaluate and identify the lượng tiêu thụ, cũng như những hạn chế weakest bus in the power system, need to trong việc mở rộng mạng lưới hệ thống install FACTS Devices to improve the điện, đã làm cho điện áp tại một số nút bị voltage value and the stability of the mất ổn định và có thể dẫn đến sự cố mất power system. điện hệ thống. Bài báo này đề xuất một trong những phương pháp, dùng để đánh Key Words: Voltage stability, FACTS giá sự ổn định điện áp của hệ thống điện, Devices, SVC, Line stability index. đó là phương pháp tích độ nhạy chỉ số ổn định đường dây. Từ chỉ số này có thể I. GIỚI THIỆU đánh giá và xác định được nút yếu nhất trong hệ thống, cần phải lắp đặt thiết bị Việc nâng cao sự ổn định của hệ thống FACTS để nâng cao giá trị điện áp và cải điện là mối quan tâm lớn cũng là vấn đề thiện sự ổn định hệ thống điện. muôn thuở của các chuyên gia và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng. Từ khóa: Ổn định điện áp, Thiết bị Vài sự cố mất điện lớn xảy ra trên thế FACTS, SVC, Chỉ số ổn định đường dây. giới liên quan đế vấn đề mất ổn định điện áp như Mỹ, Pháp, Ý, Nhật và gần đây ABSTRACT nhất là sự cố mất điện 22 tỉnh/thành ở Việt Nam vào ngày 22/5/2013. Thông Due to insufficient energy consumption, qua việc phân tích các sự cố mất điện cho as well as restrictions on the extension of thấy nguyên nhân chính là do hệ thống the power network, makes the voltage at điện không đáp ứng được nhu cầu công some bus unstable and may lead to suất phản kháng. Do đó, hệ thống điện power system outage. This paper hiện hữu cần phải nâng cao khả năng proposes one of the methods used to cung cấp công suất phản kháng, cải thiện evaluate the voltage stability of power 1
2. khả năng truyền tải của hệ thống điện. nối giữa hai nút trong mạng, cũng như Đây là một trong những nhiệm vụ đầy đánh giá được độ dự trữ ổn định điện áp thử thách và khó khăn đối với người vận của hệ thống. hành hệ thống, các nhà hoạch định và Trong bài báo này giới thiệu ba chỉ số ổn người quản lý. Tuy nhiên vấn đề này có định đường. Đầu tiên, chỉ số đánh giá thể được giải quyết một cách hiệu quả nhanh sự ổn định điện áp (FVSI – Fast mà không cần phải mở rộng mạng lưới Voltage Stability Index) được dùng để cũng như xây dựng thêm các nhà máy phân tích sự ổn định điện áp. Sau đó, phát điện mới, bằng cách sử dụng các những kết quả mô phỏng được kiểm thiết bị truyền tải AC linh hoạt (FACTS). chứng lại bằng hai chỉ số ổn định khác là Trong đó thiết bị SVC là một trong L và L . những thiết bị phổ biến, được sử dụng để mn QP cung cấp công suất phản kháng nhằm 2.2 Chỉ số đánh giá nhanh sự ổn nâng cao điện áp và cải thiện sự ổn định định điện áp - FVSI hệ thống điện. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chỉ số FVSI có nguồn gốc từ phương trình điện áp bậc 2 tại nút nhận 2.1 Các chỉ số ổn định điện áp trong hệ thống 2 nút. Mạng điện 2 nút đặc trương được thể hiện như Hình 2.1. Nhiều khía cạnh của vấn đề ổn định điện áp có thể được phân tích một Vi 0 Pi, Qi, Si Pj, Qj, Sj Vj δ các rõ ràng bằng cách sử dụng những Nút 1 I Nút 2 phương pháp như phân tích độ nhạy, R + jX phân tích phương thức, phân tích đặt tuyến P-V và Q-V trong việc đánh giá ổn Hình 2.1: Sơ đồ đơn tuyến mạng định điện áp. Các phương pháp đó thường giải các phương trình phân bố Theo Hình 2.1, trở kháng của đường dây công suất trong hệ thống với các số gia được ghi lại thành Z = R + jX và dòng phụ tải cụ thể cho đến khi tìm ra được điện chạy trên đường dây được tình theo điểm mất cần bằng điện áp. công thức sau: Tuy nhiên phương pháp nghiên 0 δ Vi Vj (2.1) cứu này tập trung vào việc tìm ra một chỉ I = R + jX số ổn định điện áp, được tính toán dựa trên cơ sở dòng công suất bình thường vì Vi được lấy làm chuẩn, do đó ta lấy góc 0 nó phù hợp cho mục đích lập kế hoạch và pha của Vi là 0 . Công suất biểu kiến tại mục đích vận hành hệ thống điện. Chỉ số nút số 2 được tính như sau: này vừa cho thấy nút quan trọng trong hệ * Sj = VjI (2.2) thống, sự ổn định của mỗi đường dây kết 2
3. Từ biểu thức (2.2) ta có: Ta xác định được chỉ số FVSI theo công * thức bên dưới: S i I = (2.3) Vi 4Z QX 4Z Q FVSIij = = ≤ 1 V (R ∗ 0 + X) V X Pj - jQj I = (2.4) Vj -δ Với: Z: Trở kháng đường dây Từ phương trình (2.1) và (2.4) ta có Qj: Công suất phản kháng đầu nhận X: Điện kháng đường dây Vi 0 Vj δ Pj - jQj = Vi: Điện áp đầu phát R + jX Vj -δ V Giá trị của FVSI nằm trong khoảng từ 0 ViVj -δ 0 (Pj – jQj) (R + jX) (2.5) = đến 1, đường dây có giá trị FVSI gần Theo điều kiện cân bằng ta có: bằng 1 chứng tỏ nó gần đến điểm mất ổn định. Đó cũng là đường dây quan trọng ViVjcosδ V = RPj + XQj (2.6) nhất và có khả năng mang tải lớn tối đa thấp nhất của nút. V -ViVjsinδ = XPj - RQj (2.7) 2.3 Chỉ số ổn định đường dây (Lmn) Từ phương trình (2.7) ta suy ra được Pj, rồi thế vào phương trình (2.6) ta có: Một tiêu chí ổn định điện áp được R R suy ra từ khái niệm cơ bản về truyền tải V − sinδ + cosδ V V + X + Q = 0 (2.8) X i j X j điện trong hệ thống điện đơn tuyến. Chỉ Để có nghiệm công thức (2.8) phải lớn số này được suy ra dựa trên một hệ thống hơn hoặc bằng không, nên ta có: điện có hai máy phát được kết nối với nhau bằng một đường dây như Hình 2.2. sinδ + cosδ V − 4 X + Q ≥ 0 (2.9) i Từ phương trình (2.9), ta có: 4ZQ X (2.10) ≤ 1 Hình 2.2: Sơ đồ đơn tuyến mạng (V) (Rsinδ + Xcosδ) điện 2 máy phát Vì giá trị của thường rất nhỏ nên ta có Từ Hình 2.2 và khai triển toán học ta xác các biểu thức tương đương sau: định được chỉ số Lmn theo công thức sau Rsinδ = 0 và Xcos δ = X 4XQ L = ≤ 1 mn [V sin (θ − δ)] 3
4. Với tại nút i lớn hơn hoặc bằng 0. Vì vậy, X: Điện kháng đường dây việc xác định chỉ số như sau: Qj: Công suất phản kháng tại nút thu θ: Góc pha của đường dây X X L = 4 P + Q (2.12) Vi: Điện áp đầu phát V V δ: Góc lệch pha giữa điện áp đầu phát và đầu nhận Với X: Điện kháng đường dây; Lnm được gọi là chỉ số ổn định của đường Qj: Công suất phản kháng tại đầu nhận dây. Các chỉ tiêu ổn định điện áp được sử Vi: Điện áp đầu phát; dụng để tìm ra chỉ số ổn định của mỗi Pi: Công suất tác dụng đầu phát đường dây được kết nối giữa hai nút trong một mạng điện. Hệ thống sẽ ổn Hệ thống hoạt động ở điều kiện ổn định định có đến khi chỉ số L còn nhỏ hơn mn và tin cậy đòi hỏi giá trị của chỉ số hoặc bằng 1, nếu chỉ số này lớn hơn 1 thì L ≤ 1. Sự hiểu biết chính xác điểm toàn bộ hệ thống sẽ mất ổn định và sẽ hoạt động thực tế của hệ thống cách bao xảy ra sự sụp đổ điện áp. Dựa trên chỉ số xa điểm giới hạn ổn định điện áp là rất ổn định đường dây này, hiện tượng sụp quan trọng đối với người vận hành. đổ điện áp có thể được dự báo chính xác. Những chỉ số này cung cấp những thông 2.4 Chỉ số ổn định đường dây () tin đáng tin cậy về trạng thái gần mất sự ổn định điện áp trong hệ thống điện. Chỉ số ổn định đường dây bắt 2.5 Phân tích ổn định điện áp sử nguồn dựa trên khái niệm về truyền tải dụng chỉ số đường dây năng lượng trên một đường dây đơn tuyến. Sự thành lập bắt nguồn từ phương Quá trình phân tích này có thể tóm trình cân bằng dòng công suất trong hệ tắt thành lưu đồ giải thuật sau: thống điện, xem Hình 2.1. Phương trình cân bằng dòng công suất trong hệ thống điện thể hiện trong Hình 2.1, có thể được viết lại như sau: X X Q − Q + P + Q = 0 (2.11) V V Chỉ số ổn định đường dây có được bằng cách cho biểu thức công suất phản kháng 4
5. Hình 3.1: Sơ đồ lưới điện IEEE 14 nút 3.1 Mô phỏng sử dụng chỉ số FVSI Trường hợp 1: FVSI được đánh giá tại mỗi đường dây trong hệ thống cho mỗi lần tăng tải phản kháng. Hình 2.3 Lưu đồ giải thuật phân tích ổn định điện áp 3. KẾT QUẢ Phân tích này được thực hiện dựa trên hệ Bảng 3.1: Phân tích ổn định điện áp dựa thống IEEE 14 nút. Tải tại các nút được trên chỉ số FVSI trong trường hợp 1 lựa chọn để khảo sát sự ảnh hưởng của việc tăng tải trên giá trị FVSI, Lmn và LQP từ đó xác định đường dây tới hạn cao nhất đối với một nút. 5
6. Bảng 3.2: Phân tích ổn định điện áp dựa Hình 3.2: Công suất phản kháng, trên chỉ số FVSI trong trường hợp 2 FVSI và điện áp tại nút 12 trong trường hợp 1 Từ Bảng 3.1 có thể thấy rằng, nút 12 có điện áp 0.8840 với khả năng mang tải cực đại là 103 MVAR. Nút 12 có khả năng mang tải tối đa ít nhất và được xếp hạng cao nhất trong hệ thống. Vì vậy, đây là nút yếu nhất trong hệ thống. Trường hợp 2: Thực hiện bằng cách tăng dần cả công suất thực và công suất phản kháng tại nút được chọn cho tới khi đạt tới điểm mất ổn định. Các kết quả tăng tải của tất cả các nút tải trong trường hợp này được ghi trong Bảng 3.2. Hình 3.3: Công suất phản kháng, FVSI và điện áp tại nút 12 trong trường hợp 2 Từ Bảng 3.2 ta thấy nút 12 có khả năng mang tải cực đại thấp nhất. Vì vậy nút 12 là nút yếu nhất trong hệ thống. 6
7. 3.2 Mô phỏng sử dụng chỉ số L mn Giá trị tính toán Lmn trên đường 20 (13- Trường hợp 1: Kiểm tra này được 14) là 0,9992 tại khả năng mang tải tối đa thực hiện tại các nút tải khác nhau với sự của nút 14. Giá trị Lmn tại điểm này gần thay đổi tải phản kháng cho tới mức độ như đạt tới hạn chỉ ra rằng hệ thống đã sụp đổ điện áp trong hệ thống IEEE14 đạt đến giới hạn ổn định của nó. Khi tải nút và Bảng 3.3 cho thấy đầy đủ các kết tại nút 14 tăng, dây 20 có giá trị chỉ số quả. cao nhất. Vì vậy, nút 14 là nút yếu nhất trong hệ thống. Trường hợp 2: Thực hiện bằng cách tăng dần cả công suất thực và công suất phản kháng tại nút được chọn cho tới khi đạt tới điểm mất ổn định. Tương tự, việc phân tích được thực hiện lần lượt cho tất cả các nút tải khác và kết quả được trình bày trong Bảng 3.4. Bảng 3.3: Phân tích ổn định điện áp dựa chỉ số trên Lmn trong trường hợp 1 Bảng 3.4: Phân tích ổn định điện áp dựa trên chỉ số Lmn trong trường hợp 2 Hình 3.4 Công suất phản kháng, Lmn và điện áp tại nút 14 trong trường hợp 1 7
8. Bảng 3.5: Phân tích ổn định điện áp dựa trên chỉ số LQP trong trường hợp 1 Hình 3.5 Công suất phản kháng, Lmn và điện áp tại nút 14 trong trường hợp 2 Từ các kết quả, có thể thấy rằng công suất phản kháng cực đại của nút 14 là 81 MVAr. Đây là khả năng mang tải tối đa ít nhất trong Bảng 3.4. Vì vậy nút 14 là nút yếu nhất trong trường hợp này 3.3 Mô phỏng sử dụng chỉ số LQP Trường hợp 1: Phân tích ổn định điện áp chủ yếu được thực hiện để xác định điểm sụp đổ điện áp sử dụng chỉ số ổn định đường dây LQP. Kiểm tra này được thực hiện bằng cách thay đổi tải Hình 3.6 Công suất phản kháng, LQP và phản kháng cho tới mức độ sụp đổ điện điện áp tại nút 14 trong trường hợp 1 áp trong hệ thống IEEE14 nút, các kết quả phân tích ổn định điện áp được chỉ ra Từ các kết quả có thể thấy rằng, dây 20 trong Bảng 3.5. (13-14) có giá trị chỉ số cao nhất là 0.8536 với khả năng mang tải lớn nhất tại nút 14 là 124 MVAR. Đây là khả năng mang tải tối đa ít nhất trong Bảng 3.5. Vì vậy nút 14 là nút yếu nhất trong hệ thống. 8
9. Trường hợp 2: Tăng dần công Từ các kết quả, có thể thấy nút 14 có khả suất thực và công suất phản kháng tại nút năng mang tải tối đa ít nhất trong Bảng được chọn cho tới khi đạt tới điểm mất 4.6. Điện áp tới hạn của nút 14 là ổn định và kết quả được trình bày trong 0.6501pu tương ứng khả năng mang tải Bảng 3.6. lớn nhất của nó. Vì vậy nút 14 là nút yếu nhất trong trường hợp này. 3.4 Xác định nút yếu trong hệ thống So sánh ba chỉ số ổn định cho thấy tất cả các phương pháp mang lại một kết quả gần như nhau trong việc xác định điểm sụp đổ điện áp. Việc xếp hạng nút được thực hiện bằng cách xắp xếp theo thứ tự tăng dần khả năng mang tải tối đa của các nút. Bảng 3.6: Phân tích ổn định điện áp dựa trên chỉ số LQP trong trường hợp 2 Bảng 3.7: Sắp xếp các nút cho hệ thống IEEE 14 nút Từ kết quả mô phỏng, ta thấy khả năng mang tải lớn nhất và điện áp tới hạn tương ứng sử dụng kết quả của ba chỉ số Hình 3.7 Công suất phản kháng, LQP và hầu hết giống nhau. Do đó, việc giám sát điện áp tại nút 14 trong trường hợp 2 nên được thực hiện tại những nút yếu 9
10. để kiểm tra tải tại các nút này và không 1.1 cho phép mang tải lớn hơn khả năng 1.05 mang tải lớn nhất mà có thể gây mất ổn 1 định. Tiến hành lắp đặt SVC tại nút yếu 0.95 nhất trong hệ thống, ta nhận thấy biên 0.9 độ điện áp được cải thiện đáng kể thông Voltage(pu) 0.85 qua các hình mô phỏng. 0.8 1.1 Khong co SVC Co SVC tai nut 12 0.75 Khong co SVC Co SVC tai nut 12 1.05 0.7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Bus 1 Hình 3.10 Điện áp nút khi có và không có SVC tại nút 12 (Trường hợp 2) Voltage(pu) 0.95 1.15 Khong co SVC 1.1 Co SVC tai nut 14 0.9 1.05 0.85 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Bus 0.95 Hình 3.8 Điện áp nút khi có và không có 0.9 SVC tại nút 12 (Trường hợp 1) 0.85Voltage(pu) 1.15 0.8 Khong co SVC 1.1 Co SVC tai nut 14 0.75 1.05 0.7 1 0.65 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0.95 Bus 0.9 Hình 3.11 Điện áp nút khi có và không Voltage(pu) 0.85 có SVC tại nút 14 (Trường hợp 2) 0.8 0.75 0.7 0.65 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Bus Hình 3.9 Điện áp nút khi có và không có SVC tại nút 14 (Trường hợp 1) 10
11. IV. KẾT LUẬN Costas. Voltage Stability of Electric Power Systems. Springer Science, ISBN Luận văn đã tập trung phân tích ổn định 978-0-387-75536-6, 1998. điện áp sử dụng các chỉ số ổn định. Thông qua các chỉ số này, có thể xác [4] Kessel & Glavitsch. Estimating the định được điểm sụp đổ điện áp. Các nút Voltage Stability of a Power System, yếu trong hệ thống và giới hạn công suất IEEE Transactions on Power Delivery, tại các nút tải để ngăn ngừa sự mất ổn Vol. 1, Issue: 3, July 1986. định của hệ thống. Dựa trên nút yếu được [5] Begovic & Phadke. Control of xác định thông qua các chỉ số ổn định, Voltage Stability Using Sensitivity SVC sẽ được lắp đặt tại những nút này để Analysis. IEEE Transactions on Power cải thiện điện áp, đảm bảo độ tin cậy Systems, Vol. 7, No. 1, February 1992. cung cấp điện. Kết quả mô phỏng đã cho thấy điện áp tại các nút được cải thiện [6] Hingorani, N. and Gyugyi. đáng kế sau khi lắp đặt SVC. Understanding FACTS: Concepts and Những kết quả đã thực hiện được trong technology of flexible AC transmission luận văn này là: systems, 2000. - Tồng quan về ổn định điện áp [7] Shraddha Udgir, Sarika Varshney & - Phân tích ổn định điện áp sử dụng các Laxmi Srivastava. Optimal Placement chỉ số ổn định and Sizing of SVC for Improving Voltage - Đề xuất giải thuật xác định vị trí lắp đặt Profile of Power System, 2011. SVC để nâng cao điện áp trong hệ thống - Sử dụng phần mềm Matlab để mô [8] Vinod K. Shende, Prof.P.P.Jagtap. phỏng Optimal Location and Sizing of Static Var Compensator (SVC) by Particle TÀI LIỆU THAM KHẢO Swarm Optimization (PSO) Technique [1] Nguyen Huy Khiem , Duong Thanh for Voltage Stability Enhancement and Long , Truong Viet Anh , Pham Xuan Power Loss Minimization, 2013. Ho, Optimal Location Of TCSC For [9] Dr. Nadarajah Mithulananthan, Mr. Congestion Management In Deregulated Arthit Sode-yome and Mr. Naresh Electricity Market, Tap Chi Khoa Hoc Acharya. Application of FACTS Giao Duc Ky Thuat So 35B (3/2016). Controllers in Thailand Power Systems, [2] Prabha Kundur. Definition and 2005. Classification of Power System Stability, [10] Roger C. Dugan, Mark F. IEEE Transactions on Power Systems, McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Vol. 19, No. 2, May 2004. Beaty. Electrical Power Systems Quality, [3] Van Cutsem, Thierry, Vournas, Second Edition, 2002. 11
12. [11] P Kundur, Power System Stability approach for voltage stability and Control, McGraw-Hill, 1994. improvement using voltage stability constrained optimal power flow based on [12] Tarik Zabaiou, Louis-A Dessaint, static line voltage stability indices, 2013. Innocent Kamwa. Preventive control XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tp.HCM, ngày tháng năm 2017 Giảng viên hướng dẫn Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết) Họ tên: Nguyễn Thanh Khiết Đơn vị: Công ty TNHH American General Construction Điện thoại: 0978328146 - 0906808290 Email: Khiet.vmec@gmail.com 12
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ