Cải thiện phân bố công suất tối ưu có xét đến điều kiện an ninh hệ thống bằng TCSC

Nội dung text: Cải thiện phân bố công suất tối ưu có xét đến điều kiện an ninh hệ thống bằng TCSC

1. CẢI THIỆN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU CÓ XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN AN NINH HỆ THỐNG BẰNG TCSC PGS.TS Trương Việt Anh Trương Thanh Hùng Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM tvietanhspkt@yahoo.com truonghungkdd@gmail.com +84-93-703-7773 Abstract - Due to the rapid increase of electricity demand and the deregulation of electricity markets, the System Operators are facing many challenges in terms of system operation to obtain economic benefit anh security. Thus, consideration of transient stability constraints in optimal power flow (OPF) problems to guarantee an appropriate security level is increasingly important. FACTS devices such as Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) can be very effective to power system security in case of a contingency. This paper concentrates on the evualating transient stability-constrained optimal power flow to against single contingencies via the use of TCSC. Study result on IEEE 30-bus system in Matlab environment have proved the effectiveness of using TCSC to enhance system security and obtain minimum cost. Keyword – OPF; TCSC; FACTS 1. GIỚI THIỆU: quá trình phát điện với chi phí nhỏ nhất là vận hành hiệu quả các tổ máy phát điện, chi phí nhiên liệu và tổn thất trên Ngày nay, sự chuyển dịch từ thị trường điện độc quyền đường dây truyền tải. Hầu hết, các tổ máy có hiệu suất cao sang thị trường điện cạnh tranh đã mang lại nhiều lợi ích cho trong hệ thống thường không đảm bảo chi phí nhỏ nhất do người sử dụng điện. Tuy nhiên, nó cũng đốimặt với nhiều chúng thường nằm trong vùng có chi phí nhiên liệu cao. Bên thách thức liên quan đến an ninh hệ thống. Nhiều yếu tố ràng cạnh đó, tổn thất trên đường dây truyền tải có ểth lớn hơn buộc chẳng hạn như môi trường, chính sách và chi phí đã đáng kể khi vị trí nhà máy xa trung tâm phụ tải, vì thếgây giới hạn sự mở rộng mạng điện truyền tải. Trong khi đó, việc lãng phí điện năng, đặc biệt trong hệ thống điện có nhiều liên tạo ra thị trường điện đã dẫn đến một số lượng giao dịch đáng kết, điện năng được truyền tải qua khoảng cách dài, với mật kể năng lượng điện cần được truyền qua khoảng cách xa, và độ tải của các vùng thấp, tổn thất trên đường dây làyếu tố một lượng công suất không nằm trong kế hoạch phát được chính ảnh hưởng đến vận hành tối ưu hệ thống. tăng lên do sự cạnh tranh giữa các nhà máy làm cho hệ thống Vì vậy, xác định hợp lý điện năng phát của các tổ máy bị căng thẳng nặng và có thể dẫn đến mất an ninh vận hành và có phương ứth c vận hành hệ thống phù hợp sẽ quyết định hệ thống. Vì vậy, an ninh hệ thống đã trở thành một trong đến chi phí phát điện và chi phí truyền tải nhất là trong hệ những vấn đề quan trọng trong vận hành thị trường điện [11]. thống có nhiều nguồn năng lượng khác nhau như thủy điện, Thị trường điện và các điều kiện vận hành sẽ tốtnếu hơn như nhiệt điện không tái tạo (than, dầu, khí, ). Do có sự khác biệt an ninh hệ thống và kinh tế được tính toán tốt hơn. Việc giải về chi phí phát điện giữa các loại nhà máy, phụ tải giữa các quyết vấn đề này được biết đến như là bài toán ràng buộcan miền và vị trí địa lý của hệ thống nên bài toán tối ưu phân bố ninh phân bố công suất tối ưu (SCOPF). công suất sẽ có nhiều ý tưởng mới khi xét đến các yếu tố trên. Việc xác định chi phí phát điện và chi phí truyền tải để Mục tiêu của bài toán OPF là cực tiểu các chi phí của làm tiền đề cho việc định giá điện vì mục tiêu của các nhà hệ thống điện để đápứ ng nhu cầu phụ tải nhưng phải duy trì máy là thu được lợi nhuận cao nhất trong quá trình sản xuất độ an toàn của hệ thống [1]. Theo quan điểm của OPF, duy và truyền tải điện năng [3]. Do đó, các yếu tố ảnh hưởng đến 1
2. trì an ninh hệ thống đòi hỏi phải giữ cho mỗi thiết bị của hệ - Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao thống nằm trong phạm vi cho phép ở chế độ xác lập. Điều động công suất làm cho việc vận hành HTĐ linh này sẽ tính đến công suất phát cực đại và cực tiểu máy phát, hoạt và hiệu quả hơn. dòng công suất biểu kiến cực đại trên đường dây truyền tải - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo và máy biến áp, cũng như giữ điện áp nút của hệ thống nằm yêu cầu. trong giới hạn xác định. Lưu ý rằng, OPF chỉ quan tâm đến - Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn sự vận hành ở chế độ xác lập của hệ thống điện. Các vấn đề nhiệt. như ổn định quá độ, ổn định động và việc phân tích vấn đề - Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống. ngẫu nhiên của chế độ xác lập là không quan tâm. Để đạt Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS khá cao được mục đích này, OPF sẽ thực thi mọi chức năng điều so với khả năng tài chính nước ta hiện nay. Do đó, khi khiển chế độ xác lập của hệ thống điện. Các chức năng này nghiên cứu áp dụng thiết bị Facts cần phải phân tích các bao gồm điều khiển máy phát và điều khiển hệ thống tryền chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp. tải. TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor): Đối với máy phát, OPF sẽ điều khiển công suất tác dụng đầu ra của máy phát cũng như điện áp của máy phát. Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor Đối với hệ thống truyền tải, OPF có thể điều khiển nấc phân (TCSC): là một phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải điện áp của máy biến áp. xoay chiều linh hoạt (FACTS). Nó được mở rộng từ các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản Với việc phát triển nhanh của các thiết bị điện tử có ứng được điều khiển bằng thyristor. Bộ phản ứng này mắc công suất lớn, điện áp cao, công nghệ FACTS ra đời [4, 9- song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống 10] đã giúp cho quá trình điều khiển dòng công suất trên các bù dọc điện kháng thay đổi liên tục và nhanh chóng. đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh chóng. Những lợi điểm chủ yếu của TCSC là: Những thiết bị FACTS chẳng hạn như TCSC có nhiều ảnh hưởng đến an ninh hệ thống trong trường hợp xảy ra sự cố. - Tăng công suất truyền tải. Mục tiêu của thiết bị FACTS là điều khiển dòng công suất - Giảm các dao động công suất. chạy theo con đường đã định, tăng khả năng truyền tải của - Giảm các cộng hưởng đồng bộ. đường dây và cải thiện an ninh hệ thống với cực tiểu đầu tư - Điều khiển dòng công suất đường dây. cơ sở hạ tầng và ảnh hưởng của môi trường. TCSC bao gồm ba phần tử chính: Tụ bù C, cuộn kháng bù nối vào mạch thyristor và hai thyristor điều khiển 2. CÔNG NGHỆ FACTS: SCR1 và SCR2 (hình 1). Việc sử dụng thiết bị FACTS sẽ góp phần giải quyết việc vận hành hệ thống điện một cách khoa học, nâng cao hiệu quả đường dây tải điện hiện có, đápứ ng yêu cầu thực tế đặt ra [9-10]. Đặt biệt ở những nơi yêu cầu về cung cấp điện an toàn và tin cậy. Sử dụng thiết bị FACTS cho phép: Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của TCSC. 2
3. Begin OPF không xét ràng buộc ổn định động Xác định hàm mục tiêu (TH1) Yes Ổn định động ? No OPF có xét ràng buộc ổn định động Xác định hàm mục tiêu (TH2) Giảm PG2 No Ổn định động ? Yes Tăng tải OPF không có xét ràng buộc ổn định động Xác định hàm mục tiêu (TH3) Yes Ổn định động ? No Lắp đặt TCSC K= 1% OPF có xét ràng buộc ổn định động và có TCSC (TH4) No Ổn định động ? K= K + 1% Yes End Hình 2: Lưu đồ giải thuật bài toán ràng buộc ổn định động trong phân bố công suất tối ưu có TCSC. 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG TCSC - GIẢI Xét mô hình đường dây hình với các thông số QUYẾT ĐỂ HẾT QUÁ TẢI KHI TĂNG TẢI: kết nối giữa hai nút i và j. Giá trị điện áp lần lượt tại hai nút i và j được cho bởi Vii và Vjj. Khi đó công suất 3
4. thực và công suất phản kháng trên nhánh i-j được xác định Do đó dòng công suất thực và công suất phản bởi: kháng trên nhánh i-j khi có TCSC sẽ là: P V2 g VV gcos b sin Pc V2 g , VV g ,cos b , sin ij i ij i j ij ij ij ij iji ij i j ij ij ij ij Q V2 b VV gsin b cos ij i ij i j ij ij ij ij Pc V2 g , VV g ,cos b , sin jij ij i j ij ij ij ij Trong đó: Pij và Qij lần lượt là công suất thực và công suất Qc V2 b , VV g ,sin b , cos iji ij i j ij ij ij ij phản kháng truyền từ nút i đến nút j. ij= i-j và gij, bij là Qc V2 b , VV g ,sin b , cos điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đường dây i-j. jij ij i j ij ij ij ij r Dòng công suất trên nhánh i-j khi có TCSC sẽ là: g ij ij rx22 ij ij P Pcc P V2 V 2 g , 2 VV g , cos Lij ji i j ij i j ij ij xij b cc 2 2 , , ij 22 Q Q Q V V b 2 VV b cos rx Lij ji i j ij i j ij ij ij ij Như vậy khi lắp đặt TCSC trên nhánh i-j thì dòng Trong đó: rij, xij là điện trở và điện kháng trên nhánh đường công suất truyền trên nhánh tăng lên. Vì theo biểu thức 1 dây i-j , , và 2, với các giá trị xc thay đổi thì g , b cũng thay đổi ij ij và giá trị PL, QL cũng có thể được điều khiển thông qua việc điều khiển giá trị xc. Thông thường giá trị điện trở trên j j g j các đường dây truyền tải là rất nhỏ so với điện kháng (r Hình 3: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC. x) nên để đơn giản trong quá trình tính toán các biểu thức 1 và 2 có thể được viết lại: r g ij 0 ij rx22 ij ij gij jb jb / ij/ ij/ x 1 b ij ij r22 x x ij ij ij Hình 4: Đơn giản hoá mô hình TCSC trên nhánh i-j. Do đó biểu thức 2.9 được viết lại như sau: Mô hình đường dây truyền tải có TCSC được lắp P VV b sin VVij iji j ij ij P sin đặt giữa nút i và j như hình 3. Ở trạng thái ổn định thì ij ij xij TCSC được xem như một điện kháng –jxc như mô hình4 . Khi đó điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đường dây i-j sẽ Và trong trường hợp có lắp đặt thiết bị bù TCSC trên thay đổi theo biểu thức: nhánh i-j, dòng công suất truyền trên nhánh i-j được tính r ij (1) theo biểu thức: gij 2 r2 x x ij ij c c , c VVij P VVi j b sin ij P sin ij ij ij ij (3) xxij c xxij c (2) bij 2 r2 x x ij ij c 4
5. Biểu thức 3 cho thấy khả năng truyền tải trên Bảng 1: Chi phí đầu tư trên 1KVAr của các thiết bị nhánh i-j của hệ thống điện khi lắp đặt thiết bị bù dọc FACTS. TCSC được cải thiện đáng ểk phụ thuộc vào giá trị bù của Các thiết bị bù Chi phí thiết bị và có khả năng nâng cao công suất trên đường dây (USD/KVAr) khi tăng tải. Tụ bù song song 8 Tụ bù nối tiếp 20 Để phân bố lại luồng công suất trong mạng điện TCSC 40 nhằm tránh sự cố nghẽn mạch bằng cách sử dụng các thiết SVC 40 STATCOM 50 bị FACTS thay thế cho các giải pháp như thay đổi công UPFC 50 suất phát của các tổ máy, xây dựng đường dây song song là rất hiệu quả. Tuy nhiên việc lắp đặt thiết bị FACTS ở Các công trình nghiên cứu trước đây tuy đạt được đâu mới là vấn đề cần quan tâm. Do đó với những dao những kết quả và mục tiêu nhất định đã đề ra nhưng cách động phụ tải bất kỳ, sự thay đổi nguồn và gia tăng phụ tải tiếp cận và giải quyết vấn đề còn chưa mang tính hiệu quả thường xuyên trong tương lai dẫn tới điểm nghẽn mạch cao, chưa có khả năng khoanh vùng được phạm vi không trong mạng cũng ẽs bị thay đổi nên không thể lắp đặt thiết gian để giảm bớt thời gian tìm kiếm giải pháp tối ưu. Việc bị bù trên tất cả các nhánh của lưới điện để đảm bảo chống ứng dụng giải thuật Gen tuy có tính kế thừa và phát huy nghẽn mạch khi có những thay đổi như trên. Vì vậy cần nhưng lại có nhược điểm là gia tăng phạm vi tìm kiếm, thiết phải xác định được tập hợp những nhánh có nhiều khả tăng số lượng mẫu trong tổ hợp nên chiếm nhiều bộ nhớ năng gây quá tải thường xuyên cho hệ thống. Đây là tập dẫn đến gia tăng thời gian xử lý thông tin. Các phương hợp những điểm xung yếu nhất còn được gọi là điểm nút pháp khác cũng chỉ mang tính thử nghiệm và tìm kiếm, thắt cổ chai (bottle-neck). Việc lắp đặt thiết bị FACTS tại chưa xây dựng được phương pháp tínhộ m t cách có hệ những vòng có chứa tập hợp những nhánh xung yếu này thống. sẽ khắc phục được quá tải đáng kể cho hệ thống. 4. BÀI TOÁN OPF: Bài toán OPF cho điều độ kinh tế hệ thống điện được mô tả nhỏ gọn, đơn giản là cực tiểu hàm mục tiêu – hàm chi phí vận hành. Min Ci(Pgi) i Ng Trong đó: 2 Ci (Pgi ) aPgi bPgi c là hàm chi phí vận hành của máy phát thứ i; a, b và c là hệ số chi phí máy phát. Thỏa mản: - Ràng buộc cân bằng: 5
6. Tổng công suất tác dụng và công suất phản kháng tại một nút bằng 0. N Chi phí vận hành đóngộ m t vai trò quan trọng trong hoạch Pk 0 V k [ V mkm [ g c os( km  ) b km sin(  km  )]] P GkLk P 0 m 1 định kinh tế và được đề cập trong chương này. N Ngõ vào của nhà máy nhiệt thông thường được Qk 0 V k [ V mkm [ g sin( km  ) b km c os(  km  )]] Q Gk Q Lk 0 m 1 đo bằng đơn vị Btu/h và ngõ ra được đo bàng đơn ịv MW. Ràng buộc không cân bằng: Đường đặc tính vào ra được đơn giản hoá là đường đặc tính tỉ lệ nhiệt như trình bày ở hình 5a. - Công suất tác dụng và phản kháng phát nằm trong giới hạn min, max: PGi Min ≤ PGi ≤ PGi Max QGi Min ≤ QGi ≤ QGi Max - Tỉ Số đầu phân áp và góc lệch pha máy biến áp nằm trong giới hạn min, max: Hình 5: Biểu đồ nhiên liệu đầu vào và chi phí nhiên liệu t ≤ t ≤ t km Min km km Max của máy phát. αkm Min ≤ αkm ≤ αkm Max - Giới hạn dòng công suất MVA chạy qua máy biến áp và Hình 5b trình bày sự chuyển đổi thông thường từ đường dây truyền tải: đơn vị Btu/h sang đơn vị $/h của đường cong tỉ lệ nhiệt Sl Sl,max l 1, ,Nl trong đường đặc tính chi phí nhiên liệu. Trong tất cả những trường hợp thực tế, chi phí nhiên liệu của nhà máy i có thể - Biên độ điện áp nút nằm trong giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất: được mô tả như một phương trình bậc hai theo công suất V ≤ V ≤ V i Min i i Max tác dụng phát: 5. CHI PHÍ VẬN HÀNH CỦA MÁY PHÁT: Các yếu tố ảnh hưởng sự phát điện với chi phí nhỏ nhất là vận hành hiệu quả máy phát điện, giảm chi phí nhiên liệu và tổn thất trên đường dây truyền tải. Hầu hết Một đặc điểm quan trọng có được bằng cách vẽ máy phát điện có hiệu suất cao trong hệ thống không đảm đồ thị đạo hàm của đường đặc tính chi phí nhiên liệu theo bảo chi phí nhỏ nhất bởi vì nó có thể được đặt trong vùng công suất tác dụng. Điều này được hiểu như độ tăng đường mà nơi đó chi phí nhiên liệu cao. Ngoài ra, nếu vị trí nhà đặc tính chi phí nhiên liệu như thể hiện ở Hình 6. máy không gần trung tâm phụ tải, tổn thất trên đường dây truyền tải có thể lớn hơn đáng ểk và vì thế có thể quá lãng phí điện năng. Thực tế, vấn đề là xác định điện năng phát của các nhà máy sao cho tổng chi phí vận hành là tôi thiểu. Đường đặc tính độ tăng chi phí nhiên liệu là sự đo lường cách tính chi phí để tạo ra lợi nhuận lần sau cho 6
7. nhà máy. Tổng chi phí vận hành bao gồm chi phí nhiên 1. PG PD liệu, chi phí lao động, chi phí vận hành và bảo dưỡng. 2. P P P Những chi phí này được coi là phần cố định của chi phí Gimin Gi Gimax nhiên liệu và thường tính đến trong đường đặc tính độ tăng 3. Vi min Vi Vi max chi phí nhiên liệu. 4. Sij Sij max Ở trường hợp này, bài toán không cho phép quá tải đường dây. TRƯỜNG HỢP 2: Tiến hành chạy mô phỏng phân bố công suất tối ưu (OPF) giữa các nhà máy với các điều kiện ràng buộc: Hình 6: Biểu đồ độ tăng chi phí nhiên liệu. 1. 2. 6. PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU SỬ DỤNG CÔNG CỤ MATPOWER: 3. TRƯỜNG HỢP 1: Tiến hành chạy mô phỏng phân bố Ở trường hợp này, bài toán cho phép quá tải đường công suất tối ưu (OPF) giữa các nhà máy với tất cả các dây. điều kiện ràng buộc: Bảng 2. Kết quả tối ưu hóa của hệ thống IEEE 30-nút: Trường hợp Pg1 Pg2 Pg3 Pg4 Pg5 Pg6 Fuel (MW) (MW) (MW) (MW) (MW) (MW) (Cost $/h) TH-1: Kế hoạch phát điện không có ràng buộc ổn 65.00 80.00 35.53 28.74 26.11 55.00 984.34 định động. TH-2: Kế hoạch phát điện có ràng buộc ổn định 78.00 60.00 40.00 30.68 27.02 55.00 998.43 động. TH-3: Kế hoạch phát điện không ràng buộc ổn định 71.03 85.00 39.99 29.57 27.12 55.00 1066.07 động sau khi tăng tải. TH-4: Kế hoạch phát điện có ràng buộc ổn định động 78.28 77.00 40.00 30.50 27.14 55.00 1070.08 và có TCSC tại đường dây 2-6. (XTCSC = -0.08pu) 7
8. Tổng chi phí sản xuất được tính toán dựa trên gói phần điểm b trên đường PII. Lúc này, công suất tuabin P0 lớn hơn mềm MatPower trong từng trường hợp cụ thể: công suất điện và sinh ra công suất thừa dương. Trường hợp 1 có thể thấy rằng khi chưa xét ổn định ∆P0 = P0 – P’0 = P0 – PIImaxsinδ0 động thì chi phí vận hành đạt được tối ưu là 984.34 $/h. Công suất∆P 0 gây cho rotor gia tốc ban đầuα 0 làm cho Tuy nhiên với kế hoạch phát này thì hệ thống sẽ mất ổn tốc độ tương đối của rotor∆ω = ω – ω0 tăng lên (tại thời điểm định động khi sự cố xảy ra tại nút 2. Trường hợp 2 có một ban đầu ∆ω = 0). Góc δ tăng lên và điểm làm việc trượt trên sự thay đổi nhỏ trong kế hoạch phát điện để thỏa mãn ràng đường đặc tính công suất PII. Cùng với sự tăng lên của δ, ∆P buộc ổn định động. Tuy nhiên, chi phí vận hành tăng từ = P0 – PIImaxsinδ giảm đi, khiến cho gia tốc tương đối α giảm 984.34 $/h lên 998.43 $/h. Trường hợp 3, lúc này tải đã đi nhưng tốc độ góc tương đối ∆ω vẫn tăng lên vì ∆P > 0. được điều chỉnh tăng lên đến 299.2 MW, hệ thống sẽ mất Đến khi δ = δc, ∆P = 0 vàα = 0, tốc độ góc tương đối∆ ω đạt ổn định với chi phí vận hành lúc này là 1066.07 $/h. giá trị cực đại. Do quán tínhδ góc tiếp tục tăng lênδ > δc, lúc Trường hợp 4, để duy trì ổn định động sau khi tăng tải ở này ∆P đổi dấu, nó tác động hãm rotor lại, gia tốc tương đối trường hợp 3, một TCSC được cài đặt trên đường dây 2-6 α mang dấu âm và ∆ω giảm dần. Quá trình tiếp tục chuyển với XTCSC= -0.08 pu, chi phí vận hành sẽ tăng lên 1070.08 động cho đến khi ∆ω = 0, góc δ đạt giá trị cực đại (điểm d), $/h. lúc đó ∆P đạt giá trị âm lớn nhất, gia tốc α cũng đạt giá trị Từ các kết quả phân tích trên có thể thấy rằng khi hệ âm lớn nhất. Do đó, quá trình chuyển động có tính chất thống mất ổn định, để duy trì trở lại trạng thái ổn định của ngược lại so với ban đầu, góc δ giảm xuống, ∆ω tăng dần hệ thống điện thì chi phí vận hành sẽ tăng lên, nhưng lúc theo chiều âm, ∆P giảm dần. Quá trình chuyển động tiếp tục này vấn đề an ninh hệ thống điện được đảm bảo. Vai trò sau một số chu kỳ góc δ sẽ dừng lại tại δ0 là vị trí cân bằng của TCSC cũng được thể hiện rõ trong trường hợp 4. công suất. 7. QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ XẢY RA TRONG MÁY Nhận thấy, hệ thống điện sẽ bị mất ổn định khi diện PHÁT ĐIỆN KHI XẢY RA NGẮN MẠCH: tích hãm tốc cực đại do đường đặc tính công suất PII tạo ra quá bé hoặc thậm chí bằng 0 nếu PIImax < P0. Lúc đó, để đảm bảo ổn định động cần phải tạo ra diện tích hãm tốc bằng cách cắt nhanh ngắn mạch, đưa hệ thống về chế độ sau sự cố với đường đặc tính công suất PIII. Với đường này sẽ có diện tích hãm tốc nhất định. Từ những phân tích trên ta thấy rằng, để cải thiện ổn định động cần phải nâng cao đường đặc tính công suất sau khi ngắn mạch PIII (tức là nâng cao khả năng truyền tải sau sự cố). Điều này được thực hiện bằng cách giảm điện kháng Hình 7: Đường đặc tính công suất. tổng của đường dây thông qua sử dụng thiết bị bù có điểu Giả thiết rằng hệ thống đang làm việc tại P0 và δ0 khiển TCSC. Thiết bị này có tác dụng điều khiển làm thay (điểm a) thì xảy ra ngắn mạch. Đường đắc tính công suất đổi điện kháng gần như tức thời, do đó hiệu quả điều khiển thay đổi đột ngột từ PI xuống PII. Công suất điện giảm thấp rất cao. nhưng do quán tính của rotor, góc δ chưa kịp biến đổi mà 8. RÀNG BUỘC ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ TRONG BÀI vẫn giữ nguyên giá tri δ0, vì vậy điểm làm việc rơi xuống TOÁN OPF (TSCOPF): 8
9. d Hàm mục tiêu: Min C( P ) (5.7) i   i gi dt i iN g 2Hd2 Thỏa mãn: ii 2 PPmi ei  0dt - Ràng buộc ổn định tĩnh: Trong đó: Phương trình cân bằng công suất:  δi: góc rotor của máy phát i. Pi(V,δ) + Pdi - Pgi = 0 ; i= 1, , Nb  ωi: tốc độ rotor của máy phát i. Qi(V,δ) + Qdi - Qgi = 0 ; i= 1, , Nb  Hi: hằng số quán tính của máy phát i.  Pmi: công suất cơ của máy phát i. - Giới hạn công suất máy phát:  Pei: công suất điện của máy phát i. min max Pgi P gi P gi; i 1, , N g  ω0: tốc độ đồng bộ. min max Qgi Q gi Q gi; i 1, , N g Tiêu chuẩn ổn định quá độ được xác định dựa trên độ - Giới hạn điện áp: lệch góc rotor tương đối. Để đơn giản, một máy phát được Vmin V V max ; i 1, , N i i i b chọn với góc rotor làm chuẩn. Nếu độ lệch góc rotor tương - Giới hạn công suất thực tế trên đường đối của các máy phát còn lại với máy phát chuẩn tăng vôhạn dây: thì hệ thống mất ổn định. Hệ thống chỉ ổn định khi giá trị góc rotor tương đối cực đại của các máy phát nhỏ hơn 1800. Việc Sll Smax; l 1, , N 1 xác định góc rotor tương đối được thực hiện bằng công cụ Trong đó: Power System Toolbox trong phần mềm Matlab. Ràng buộc bất phương trình của ổn định động được xem xét như sau:  Pgi, Qgi là công suất tác dụng và phản kháng của máy phát i.    1800 is i s Max  Pdi, Qdi là công suất tác dụng và phản kháng của tảii.  Vi là biên độ điện áp tại nút i. Trong đó: δs là góc rotor của máy phát chuẩn.  Vi,max và Vi,min là giới hạn điện áp cực tiểu và cực đại. 9. MÔ PHỎNG BÀI TOÁN TSCOPF TRÊN HỆ  Pgi,max và Pgi,min là công suất tác dụng giới hạn cực đại THỐNG IEEE 30 NÚT: và cực tiểu.  Nb là tổng số nút. Nghiên cứu này được áp dụng trên hệ thống IEEE-30  Ng là tổng số nút máy phát. nút. Hệ thống IEEE-30 nút bao gồm 41 đường dây và 6 máy  Sl là dòng công suất thực tế trên đường dây ij. phát. Nút 1 đặt máy phát 1 được xem là nút chuẩn. Thông số  Sl,max là giới hạn lớn nhất của nó. đường dây và dữ liệu nút có thể tìm thấy trong Power system - Ràng buộc ổn định động: Toolbox version 2.0. Sơ đồ đơn tuyến của hệ thống chỉ ra trong Hình 8. Tổng nhu cầu tải là 283.4 MW và 126.2 Vấn đề ổn định quá độ hệ thống được mô tả bởi một MVAR. Tổng chi phí sản xuất được tính dựa trên gói phần tập các phương trình đại số và phương trình vi phân. Nó có mềm MatPower được xem như là trường hợp cơ bản không thể được giải quyết bằng phân tích miền thời gian. có ràng buộc ổn định động. Một sự cố ngắn mạch ba pha xảy Phương trình dao động của máy phát được cho như sau: ra tại nút 2 và được cắt ra bởi máy cắt đường dây 2-5 tại 0,4s. Power System Toolbox được sử dụng để thực hiện mô phỏng 9
10. ổn định động trong miền thời gian để xác định sự thay đổi 65, 35.53, 28.74 và 26.11 MW (trường hợp 1) tới 78, 40, góc rotor máy phát. 30.68 và 27.02 MW (trường hợp 2 ) tương ứng. Kết quả, ràng buộc ổn định động được thỏa mãn. Tuy nhiên chi phí vận hành tăng từ 984.34 $/h (trường hợp 1) lên 998.43 $/h (trường hợp 2) như thấy trong bảng 1 (cột 8) và Hình 10. 100 d(2,1) 80 d(13,1) d(22,1) 60 d(23,1) d(27,1) 40 20 0 Delta, Delta, degree -20 -40 -60 -80 -100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 t, sec Hình 10: Góc rotor tương đối khi xảy ra sự cố tại nút 2 (Trường hợp 2) Hình 8: Sơ đồ hệ thống IEEE-30 Nút. Nghiên cứu trong trường hợp 2 cho thấy, khi nhu cầu 600 tải đựợc xác định, hệ thống không có TCSC vẫn có thể duy d(2,1) d(13,1) 500 d(22,1) trì được ổn định động nếu như sự cố xảy ra nhưng chi phí d(23,1) 400 d(27,1) vận hành tăng lên. Để có thể vừa cực tiểu chi phí và đảm bảo 300 được an ninh, việc sử dụng TCSC là một trong những giải 200 Delta, Delta, degree pháp hiệu quả hiện nay. 100 0 10. PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TCSC -100 TRONG BÀI TOÁN TSCOPF: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 t, sec Hình 9: Góc rotor tương đối khi xảy ra sự cố tại nút 2 Để đánh giás ự đónggóp của TCSC trong việc đảm bảo (Trường hợp 1) cực tiểu chi phí vận hành và duy trì ổn định động của hệ Từ bảng 2 (hàng 2) có thể thấy rằng, khi chưa xét ổn thống sau khi sự cố được xem xét, nhu cầu tải trong trường định động (trường hợp 1), chi phí vận hành đạt được tối ưu hợp 1 và 2 bây giờ được điều chỉnh lên 299.2 MW (công suất là 984.34 $/h. Tuy nhiên với kế hoạch phát điện này thì hệ tác dụng tại nút 5 tăng lên từ 94.2 MW lên 110 MW). thống bị mất ổn định động sau khi sự cố xảy ra tại nút 2 như thấy trong Hình 9. Rõ ràng hệ thống không thể vận hành trong truờng hợp này bởi vì an ninh hệ thống bị vi phạm. Do đó, để đảm bảo an ninh vận hành của hệ thống, TSCOPF cần phải được xem xét (trường hợp 2). Từ bảng 1 (hàng 3) có thể thấy rằng, đã cóộ m t sự thay đổi nhỏ TCSC trong kế hoạch phát điện để thỏa mãn ràng buộc ổn định động so với trường hợp 1. Máy phát 2 giảm công suất phát Hình 11: Vị trí của TCSC trong khảo sát mạng IEEE 30 từ 80 MW (trường hợp 1) xuống còn 60 MW (trường hợp nút. 2) trong khi máy phát 1, 3, 4 và 5 tăng công suất phát từ 10
11. Từ bảng 2 (hàng 4) và Hình 13 có thể thấy rằng, hệ phỏng đã chứng minh tính hiệu quả của TCSC trong việc cải thống bị mất ổn định sau khi sự cố xảy ra tại nút 2. Mặc dù thiện sự vận hành của hệ thống. Việc sử dụng TCSC hợp lý đã cố gắng điều chỉnh lại kế hoạch phát dựa trên việc giải sẽ mang lại những kết quả tốt trong phần điều độ kinh tế và quyết bài toán OPF có ràng buộc ổn định động và không có cũng đảm bảo được ổn định động sau khi sự cố xảy ra. Do TCSC, nhưng hệ thống vẫn không đạt được ổn định. Trong đó, nâng cao được an ninh của hệ thống. trường hợp này, để duy trì ổn định động, một TCSC được cài đặt trên đường dây 2-6. Ban đầu mức độ bù nối tiếp (K) của TCSC sẽ được cài đặt là 1%. Nếu như phạm vi ổn định động không được loại bỏ dưới kịch bản OPF thì mức độ bù của TCSC được tăng lên K = K + 1% và thực hiện giải quyết OPF cho đến khi những vi phạm là được loại bỏ.  Xác định giá trị TCSC: XNew = Xij – XTCSC XNew = (1 – K)Xij Hình 14: Góc rotor tương đối khi xảy ra sự cố tại nút 2 Với: K = XTCSC/Xij (Trường hợp 4). Từ đồ thị Hình 15 có thể thấy được khi chưa có TCSC hệ thống đang hoạt động trên đường đặc tính công suất PI, khi xảy ra sự cố tại đường dây 2-5 hệ thống dễ mất ổn định. Hình 12: Lưu đồ giải thuật xác định dung lượng TCSC. Hình 15: Đồ thị biểu diễn sự tăng độ dự trữ ổn định hệ thống điện có TCSC Khi có sự can thiệp của TCSC vào hệ thống, lúc này độ dự trữ ổn định của đường dây 2-6 tăng lên một đoạn ΔP theo đường đặc tính PII. Đảm bảo được hệ thống ổn định Hình 13: Góc rotor tương đối khi xảy ra sự cố tại nút 2 theo biểu thức: (Trường hợp 3). VV. sin( ) P 2 6 2 6 XX Những kết quả mô phỏng dựa trên OPF có TCSC và có 26 TCSC xét ràng buộc ổn định động được cho trong Bảng 2 (hàng 5) và Hình 14. Từ Hình 14 có thể thấy rằng, ổn định động của Việc sử dụng TCSC có thể xảy ra cộng hưởng trên hệ thống đạt được sau khi xảy ra sự cố tại nút 2. Kết quả mô đường dây, với việc giới hạn dung lượng bù dưới 70% điện 11
12. kháng đường dây như đã trình bày ở trên cũng đã loại trừ [6] D. Hadi Saadat. Power System Analysis. International được tác hại của hiện tượng cộng hưởng này. Editions 1999. 11. KẾT LUẬN: [7] Syed A. Nasar. Electric Power Systems. Schaum’s Outline Series McGraw-Hill, 1990. Sự phát triển của hệ thống điện ngày nay đã tạo ra nhiều thách thức đối với người vận hành trong việc đảm bảo lợi [8] R.D Zimerman, C.E Murillo-Sanchez and D. Gam. nhuận kinh tế và ổn định, đặc biệt là ổn định động. Bài toán MATPOWER-A MATLAB power system simulation package. OPF truyền thống đã giải quyết được nhiều bài toán điều độ Ver. 4. kinh tế có xét đến những giới hạn vận hành nhưng điều đó [9] D. Murali, Dr. M. Rajaram, N. Reka. Comparison of không đảm bảo được hệ thống sẽ ổn định động sau khi sự cố FACTS Devices for Power System Stability Enhancement. nhiễu được loại trừ. Vì vậy việc tổ hợp ổn định động vào bài International Journal of Computer Applications (0975 – toán OPF nhằm giới hạn góc rotor để đảm bảo hệ thống ổn 8887), Volume 8– No. 4, October 2010. định sau khi giải trừ sự cố là một trong những vấn đề quan trọng trong vận hành thị trường điện. [10] Gabriela Glanzmann. FACTS - Flexible Alternating Current Transmission Systems. EEH - Power Systems Bài toán này tập trung vào đánh giá khả năng ổn định Laboratory ETH Z¨urich 14. January 2005. động của hệ thống trong bài toán OPF có TCSC. Mô phỏng OPF có TCSC và không có TCSC đã được tạo ra trên môi [11] Kundur, P., Paserba, J., Ajjarapu, V., Andersson, G., trường Matlab. Những kết quả mô phỏng đã cho thấy tính Bose, A., Canizares, C., Hatziargyriou, N., Hill, D., hiệu quả của việc sử dụng TCSC để nâng cao ổn định động Stankovic, A., Taylor, C., Van Cutsem, T., and Vittal, V. hệ thống, đồng thời cũng đảm bảo được chi phí vận hành cực Definition and classification of power system stability tiểu. IEEE/CIGRE joint task force on stability terms and definitions, IEEE Trans. Power Syst., 2004, vol. 19, no. 3, TÀI LIỆU THAM KHẢO pp. 1387–1401. [1] PGS.TS Quyền Huy Ánh. Vận Hành Hệ Thống Điện. [12] Alsac, O. and Stott, B. Optimal load flow with steady – TP.HCM, 01-2012. state security, Trans Power Apparat. Syst., 1974, vol. [2] PGS.TS Trương Việt Anh. Các Giải Thuật Tái Cấu PAS93, no. 3, pp. 745–751. Trúc ớLư i Điện Phân Phối. NXB Đại Học Quốc Gia [13] Federico Milano. Power System Analysis Toolbox TP.HCM, 2014. Documentation for PSAT version 2.0.0. February 14, 2008. [3] PGS.TS Quyền Huy Ánh, PGS.TS Trương Việt Anh, Vi [14] ABB. Thyristor-controlled series capacitors (TCSC) Thị Thanh Hường. Phương Pháp Heuristic Tối Ưu Phân Bố Keeping Girds Together. Công Suất Trong Hệ Thống Điện. Science & Technology Development, Vol 13, No-K2, 2010. [15] Narain G. Hingoranl, Laszlo Gyugyi. Understanding FACTS Concepts and Technology of Flexible AC [4] GS.TSKH Hồ Đắc Lộc. Thiết Bị FACTS Trong Hệ Thống Transmission Systems. Library of Congress Cataloging-in- Điện. NXB Xây Dựng, Hà Nội 2013. Publication Data, IEEE PRESS, 1999. [5] PSG.TS Nguyễn Hoàng Việt, PSG.TS Phan Thị Thanh [16] Adebayo, I.G., Adejumobi, I.A., Olajire, O.S. Power Bình. Ngắn Mạch VÀ Ổn Định Trong Hệ Thống Điện. NXB Flow Analysis and Voltage Stability Enhancement Using Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2013. Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) Facts 12
13. Controller. International Journal of Engineering and [18] Rusejla Sadikovic. Series Compensation. 07.2002. Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 – 8958, Volume- [19] Stéphane Gerbex, Rachid Cherkaoui, and Alain J. 2, Issue-3, February 2013. Germond. Optimal Location of Multi-Type FACTS Devices [17] Mohammed Osman Hassan, S. J. Cheng, Senior in a Power System by Means of Genetic Algorithms. IEEE Member, IEEE, Zakaria Anwar Zakaria. Steady-State TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, VOL. 16, NO. 3, Modeling of SVC and TCSC for Power Flow Analysis. AUGUST 2001. Proceedings of the International MultiConference of [20] Zwe-Lee Gaing. Security-Constrained Optimal Power Engineers and Computer Scientists 2009 Vol II IMECS Flow by Mixed-Integer Genetic Algorithm with Arithmetic 2009, March 18 - 20, 2009, Hong Kong. Operators. 1-4244-0493-2/2006 IEEE. 13
14. 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 Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.