Nghiên cứu phương pháp LFB cho lưới phân phối hình tia có thiết bị TCSC để điều chỉnh điện áp

Nội dung text: Nghiên cứu phương pháp LFB cho lưới phân phối hình tia có thiết bị TCSC để điều chỉnh điện áp

1. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LFB CHO LƯỚI PHÂN PHỐI HÌNH TIA CÓ THIẾT BỊ TCSC ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP Tác giả: Hồ Quang Khải. Cố vấn: TS Hồ Văn Hiến. Abstract: Analysis of radial distribution systems with embedded series Flexible AC Transmission System (FACTS) devicesis facilitated by a formulation of power flow equations with bus voltage magnitudes and line flows as independent variables. Since control variables such as the line and bus reactive powers figure directly in the formulation, handling the control action of FACTS devices in distribution systems is direct and easily implemented. Using the Breadth-First-Search (BFS), the bus incidence matrix of a radial distribution system is first rendered strictly upper diagonal, leading to reduced computational effort. All the common FACTS device models under steady-state conditions are easily incorporated in the new framework by a simple process of “variables wapping.” Using IEEE standard systems, the line flow-based (LFB) formulation is shown to provide easy implementation with multiple series and shunt FACTS devices in the system and enable direct evaluation of the FACTS device ratings. Tóm tắt: Phân tích hệ thống điện phân phối hình tia với việc đặt nối tiếp thiết bị FACTS được xem là dễ dàng bởi một công thức của phương trình trào lưu công suất (PFE- power flow equation) với độ lớn điện áp và dòng công suất trên đường dây như những biến độc lập. Khi những biến điều khiển một cách trực tiếp như hình dạng của công suất phản kháng nút và đường dây trong việc thành lập công thức, vận dụng hoạt động điều khiển của thiết bị FACTS trong hệ thống điện được thực hiện nhanh và trực tiếp . Sử dụng ma trận tỷ lệ tại nút của một hệ thống điện phân phối hình tia thì trước hết được biểu diễn trên đường chéo chính để giảm các thủ tục tính toán. Tất cả các mô hình thiết bị FACTS được thống nhất dưới điều kiện ổn định tĩnh được kết hợp dễ dàng trong khuôn khổ mới bởi quá trình của “trao đổi biến”. Sử dụng hệ thống chuẩn của IEEE, việc thành lập công thức dựa vào trào lưu trên đường dây - Line Flow Based (LFB) được tác giả trình bày để cung cấp việc thực hiện dễ dàng với nhiều thiết bị FACTS nối trong hệ thống và hiệu quả mang lại của nó. Từ khóa: Distribution power flow analysis, flexible AC transmission system (FACTS), power system planning and modeling, voltage controls. I. GIỚI THIỆU thời đủ khả năng đáp ứng cao những đột biến trên Nhu cầu phụ tải ngày càng tăng, cùng với sự hệ thống điện do những biến động trên hệ thống phát triển hằng ngày, hằng giờ của khoa học công trong điều kiện ổn định tĩnh như quá tải do mất nghệ. Đòi hỏi chất lượng điện năng cũng phải đạt cân bằng công suất trên lưới giữa phát và nhận yêu cầu của phụ tải. Việc đạt được chất lượng điện dẫn đến sụt áp, thay đổi góc pha dẫn đến mất ổn năng đảm bảo cung cấp điện cho khách hàng đồng định hệ thống có nguy cơ hệ thống vận hành mất 1
2. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014. an toàn. Thiết bị FACTS ra đời đáp ứng yêu cầu Đối với lưới điện phân phối ta sử dụng đó một cách linh hoạt và nhanh chóng. phương pháp LFB để tính toán ổn định điện áp. Hiện nay, ở các nước phát triển đặc biệt là các Đề tài đang được nghiên cứu là “Sử dụng phương nước có hệ thống điện ổn định tương đối cao, đòi pháp LFB trên lưới điện phân phối hình tia có hỏi chất lượng điện áp đầu ra luôn ổn định tốt, thiết bị TCSC để điều chỉnh điện áp”. đảm bảo cho các tải có độ nhạy cao làm việc ổn Đây là một phương pháp tính phân bố công định. Việc đưa thiết bị FACTS vào hệ thống để ổn suất hữu dụng và rất tiện ích cho việc tính toán định điện áp nhanh là công việc rất cần thiết cho phân bố công suất hiện nay. lưới điện. Với phương pháp LFB: Thiết bị hệ thống truyền tải điện xoay chiều Không cần thành lập ma trận Jacobian. linh hoạt còn gọi là FACTS (Flexible Alternate Tích hợp dễ dàng các thiết bị FACTS như Current Transmission Systems) được vận hành có TCSC, SVC, TCVR, vai trò dẫn đầu trong việc điều khiển một cách Không tính toán các hàm lượng giác. hiệu quả trào lưu công suất trên đường dây và cải Đối với cấu trúc hình tia và tính toán phân thiện chế độ điện áp của mạng hệ thống điện. bố công suất thông thường (không xét thiết bị Những thiết bị mới này có thể gia tăng một cách FACTS và không có DG) hoàn toàn có thể tính đáng tin cậy và một cách hiệu quả đến hệ thống dòng công suất tác dụng và phản kháng trên nhánh truyền tải và phân phối. Chúng đưa ra những điều và điện áp tại các nút bằng phép thế theo chiều khiển và linh hoạt rất lớn trong vận hành. Thông thoái và theo chiều tiến mà không cần phải nghịch thường trào lưu công suất được phân tích bằng đảo ma trận. phương pháp Newton- Raphson và thuật toán Tính toán được giá trị điện kháng. nhanh Decoupled đã được điều chỉnh đến kể cả - Phương pháp LFB giảm bớt các thủ tục mô hình thiết bị FACTS trong hệ thống truyền tải. tính toán trong bài toán phân bố công suất có đặt Những đối tượng chính của thiết bị FACTS thiết bị FACTS là TCSC. được lắp đặt trên đường dây phân phối là cải thiện - Áp dụng phương pháp LFB trên lưới thực chế độ điện áp, hệ số công suất chuẩn, và giảm bớt tế với bài toán phân bố công suất với lưới phân tổn thất trên đường dây. Đường dây phân phối có phối nhiều nguồn được thực hiện dễ dàng với tỷ số R/X cao, ảnh hưởng đến vấn đề hội tụ trong nhiều thiết bị TCSC trong hệ thống và ước lượng bài toán tính toán phân bố công suất, ổn định điện được hiệu quả mang lại của thiết bị FACTS. áp truyền thống. Như trước đây để tính toán phân bố công suất II. MÔ HÌNH TỔNG QUÁT THIẾT BỊ trên đường dây ta sử dụng phương pháp Newton- FACTS VỚI PHÂN ĐOẠN ĐƯỜNG DÂY. Raphson truyền thống. Việc tính toán này gặp rất Hình 1 Mô hình tổng quát thiết bị FACTS với khó khăn là tìm ma trận Jacobian. Một phương phân đoạn đường dây chung pháp khác được sử dụng để tính toán phân bố công suất, đó là Line Flow Basic method gọi tắt là phương pháp giải bài toán phân bố công suất dựa vào trào lưu công suất trên đường dây LFB. 2
3. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014. Một máy biến thế với thông số góc pha và vị 2Rp 2Xq (AT AT ).V 2 k ATV 2 1 1 C PV (3) trí nấc. Các thông số rl và xl là điện trở và điện Ở đây: kháng của nhánh , i và j là số nút phát và nút l Ac : là ma trận tỷ lệ nút tương ứng với nhận của nhánh l ; và pl và ql là trào lưu công những nút PV. suất tác dụng và công suất phản kháng của nhánh 2 VPV : là véc tơ điện áp bình phương của khi tiếp nhận cuối cùng của nhánh l . những nút PV và nút hệ thống.  : là ma trận đường chéo được sắp xếp III. PHƯƠNG TRÌNH PHÂN BỐ CÔNG bằng với l với những giá trị của một cân bằng SUẤT VỚI LFB chuyển đổi nhánh rẽ của giá trị nấc A1+ và A1- đạt 1. Phương trình tổng quát cân bằng công suất được khi đặt A1 tương ứng, các giá trị âm và A.p - P A'.l 0 GL (1) dương trong A1 là 0. A.q -Q A'.m- H.V2 0 R, X : là ma trận đường chéo của điện GL (2) trở và điện kháng. Ma trận tỷ lệ A với số hàng tương ứng với tất cả l l l 2 các nút khác nút hệ thống. kl = s 2(r2 +x2 )/V j . A’ : một ma trận nút tỷ lệ nút thay thế với tất 3. Phương trình trào lưu công suất LFB cả các giá trị ”-1” trong A thay là 0, chúng được Phương trình (1), (2) và (3) được đặt trong ma tạo ra để dễ dàng chứa đựng tổn thất đường dây trận mẫu như sau: trong phương trình cân bằng công suất khi sử A 0 0 p PGL A'l , 2 0 A 0 q Q A H V dụng những véc tơ của nhánh tổn thất điện áp l và 1 GL 1 1 2R 2 X (AT A1 V 2 A TV 2 k m. 1 T C pv H : là ma trận đường chéo, phần tử đường (4) chéo của nó là tổng phát và bù ở mỗi nút. 4. Thành lập công thức LFB có gắn thiết bị P và Q : là véc tơ công suất bơm vào nút GL GL FACTS là TCSC được định nghĩa bằng P = P - P và 2 2 2 GLi Gi Li Vi sl zl 2 2xC ql 2 2 V j 2rl pl 2xl pl 2xlql tl V j QGLi = QGi - QLi (5) Với: PLi, PGi và QLi, QGi là các công suất tác Đây là phương trình trào lưu công suất LFB. dụng và phản kháng phát và tải ở nút i. Tổng số chưa biết là: l1 và m1 : tổn thất công suất tác dụng và công N= 2(n-1) + n -npv -1 = 3(n-1) - npv suất phản kháng của đường dây l . Phương trình (4) được viết dưới dạng đặc p và q: véc tơ trào lưu công suất tác dụng và trưng như sau: công suất phản kháng trên đường dây khi tiếp A V 2 x y y nhận sau cùng. pq 1 2 (6) V 2 : véc tơ điện áp chưa biết trừ nút hệ thống. 2 Ma trận hệ số ApqV là một ma trận không 2 Vi : bình phương độ lớn điện áp của nút ở nút i. đổi mà nó cần chỉ là thừa số ngay lập tức trong 2. Phương trình điện áp nhánh. quá trình giải bài toán. 3
4. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014. Ma trận hệ số không đúng khi là mạng hình tia mà là cấu trúc cây với tất cả các nhánh kết nối, - Xây dựng ma trận điện trở nhánh. và những hàng tương ứng với những nhánh của R cây trong sơ đồ mạng được cho là độc lập . 1 R 2 x là biến của véc tơ của trào lưu công suất R3 R 4 tác dụng và công suất phản kháng p, q và bình R 5 2 R phương độ lớn điện áp nút V ; R 6 R 7 R y1 là véc tơ công suất bơm vào không đổi và 8 R9 nút điện áp PV; R10 R 11 y2 là một biến véc tơ của tổn thất trên R12 nhánh, nạp và cân bằng trên nhánh. Phân tích trào lưu công suất lặp được bắt đầu với véc tơ y2 đặt - Xây dựng ma trận điện kháng nhánh. ở mức 0. Sử dụng bài toán véc tơ x trong một lần lặp, vế phải của (6) được thực hiện ngay bởi véc X1 X 2 tơ tính toán y2 và bổ sung đến véc tơ y1. X 3 X 4. Thành lập các ma trận cơ bản 4 X 5 Xem xét mạng 12 nhánh 13 nút. X X 6 X 7 X8 X 9 X 10 X 11 X12 - Sơ đồ cây được đánh số lại như sau: Hình 2. Sơ đồ mạng hình tia 12 nhánh 13 nút - Xây dựng ma trận tỷ lệ A. 4
5. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014. So nut : 16 - Ma trân A sửa đổi như sau: So nhanh : 15 Nut can bang : 1 Cong suat co ban : 10 MVA 1 1 1 1 Hình 4. Sơ đồ cây mạng hình tia 16 nhánh 15 1 1 1 1 1 1 nút 1 1 1 1 1 1 1 1 A (1) 1 2 1 1 (2) (3) (4) 1 3 4 5 1 1 (5) 6 1 (6) (8) 8 (7) 9 7 DG (9) 10 IV. KHẢO SÁT BÀI TOÁN THEO LFB (10) CÓ GẮN TCSC ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 11 (11) MẠNG NHIỀU NGUỒN 12 (12) TCSC 1. Sơ đồ giải thuật 13 (13) 14 (14) TCSC 15 (15) 16 Ta có vị trí nhánh: Tổng trở nhánh: Hình 3. Lưu đồ giải thuật giải bài toán PBCS LFB. Sử dụng phần mềm matlab để khảo sát bài toán phân bố công suất cho mạng 16 nhánh 15 nút 2. Khảo sát bài toán. SO LIEU BAN DAU 5
6. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014.  Khi có DG và 2TCSC ở nhánh 12 và 14. Loai nut 1 : nut PV Loai nut 0 : nut PQ - Giá trị điện áp nút: Ma trận A: 3. Kết quả tính toán:  Khi chưa có DG: - Giá trị điện áp nút: V. KẾT QUẢ KHẢO SÁT BÀI TOÁN THEO LFB CÓ GẮN TCSC ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MẠNG NHIỀU NGUỒN Hình 5. Kết quả mô phỏng mạng 1 nguồn không TCSC  Khi có DG: - Giá trị điện áp nút: Hình 6. Kết quả mô phỏng mạng 2 nguồn(có 1 DG) không TCSC. 6
7. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014. bằng các phương pháp tính truyền thống, cụ thể là Hình 7 Kết quả mô phỏng mạng 2 nguồn(có 1 phương pháp Newton Raphson. DG), 2 TCSC nhánh 12, 14. Công thức LFB thành lập sử dụng độ lớn điện áp nút và trào lưu công suất trên thiết bị FACTS với những điều kiện vận hành hệ thống. Các biến điều khiển này được thực hiện với đường dây như những biến độc lập và liên kết trực tiếp với các biến của thiết bị được thực hiện một cách trực tiếp như là biểu đồ công suất phản kháng của nút và đường dây. Công thức LFB đã được khảo sát hoàn toàn Trên hình 5 điện áp tại nút số 8 có giá trị rất đúng đắng với lưới phân bố công suất và kết quả thấp(0,89321pu). Đối với lưới phân phối, điện áp bài toán được chứng minh là hội tụ. cho phép làm việc nằm trong giới hạn cho phép Khảo sát TCSC dùng phương pháp LFB có (1 ± 5%). Ta chọn vị trí này để đặt máy phát DG. Trong hình 6, tác giả đặt máy phát phân tán mục đích: DG tại nút số 8. Việc đưa máy phát vào lưới điện - Điều chỉnh điện áp tại nút cuối trên nhánh nó đóng vai trò như một nút PV, như là một nút có đặt TCSC và tính đúng đắng của phương pháp phát, tại nút số 8 điện áp tăng lên rất nhiều, sau LFB trong việc tích hợp TCSC. Kết quả được khi đặt DG tại nút 8, điện áp tại đó tăng lên 0,98 (pu) thay vì 0,89321(pu) trước khi có DG . kiểm tra bằng phương pháp phân bố công suất qui Từ đồ thị hình 7, sau khi đặt TCSC vào lưới, ước như Newton Raphson, Gauss Seidel, Fast tại nút 12 và nút 14, giá trị điện áp tại những nút Decouple. đó và một số nút lân cận như 13,15, 16 tăng lên đáng kể. Như vậy việc đưa thiết bị TCSC vào lưới - Điều chỉnh điện áp sao cho điện áp cuối điện vừa khảo sát, cải thiện giá trị điện áp lên rất đường dây đạt sụt áp cho phép. nhiều. - Vị trí đặt của TCSC là sao cho TCSC có Tóm lại, khảo sát phương pháp LFB trên lưới công suất là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo sụt áp cho phân phối hình tia với việc gắn thiết bị TCSC để điều chỉnh điện áp là một trường hợp nghiên cứu phép đến cuối đường dây nó mạng lại kết quả đúng và chính xác cho từng - Phù hợp với mạng điện hình tia. trường hợp trong quá trình thực hiện bài toán phân bố công suất và hiệu quả đạt được khi đặt thiết bị TCSC tại những nút cần tăng điện áp để đảm bảo TÀI LIỆU THAM KHẢO điện áp đầu ra các nhánh trên đường dây phân [1] B. Stott and O. Alsac, “Fast decoupled load phối chính. flow,” IEEE Trans. Power App. Syst., vol. 93, no. 3, pp. 859–869, May/Jun. 1974. VI. KẾT LUẬN [2] N. G. Hingorani and L. Gyugyi, Understanding FACTS: Concept and Technology Nghiên cứu phương pháp LFB cho lưới phân of Flexible AC Transmission Systems. New York: IEEE Press, 1999. phối hình tia nhiều nguồn có đặt thiết bị TCSC [3] N. M. Peterson and W. Meyer, “Automatic trên lưới để điều chỉnh điện áp phù hợp trong adjustment of transformer and phase-shifter taps mạng điện hình tia là một phương pháp mới mẽ in the Newton power flow,” IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS-90, no. 3, pp. 103–108, đã được kiểm chứng tính đúng đắng và phù hợp Jan./Feb. 1971. 7
8. Bài báo khoa học - Hồ Quang Khải-K.2012A-MSHV.12 025 2020 2007-KTĐ.605250-ĐH SPKT TP.HCM - 04.2014. [4] C. R. Fuerte-Esquivel and E. Acha, “Newton– Raphson algorithm forthe reliable solution of large power networks with embedded FACTS devices,” in Proc. Inst. Elect. Eng., Gener., Transm., Distrib., vol. 143, Sep. 1996, pp. 447– 454. [5] , “A Newton-type algorithm for the control of power flow in electrical power networks,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 12, no. 4, pp.1474–1480, Nov. 1997. 8
9. 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 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.