Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện

Nội dung text: Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện

1. NGHIÊN CỨU SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN RESEARCH VOLTAGE COLLAPSE FOR INTERCONECTED POWER SYSTEMS Phan Thanh Hoàng Học viên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tóm tắt Nghiên cứu sụp đổ điện áp là một trong những bài toán quan trọng trong quá trình nghiên cứu hệ thống điện. Bài báo này giới thiệu một phương pháp xác định khoảng cách ngắn nhất kmin dẫn đến mất ổn định điện áp trong hệ thống điện dựa trên cơ sở xác định véc tơ nuy η từ ma trận Jacobian của bài toán phân bố công suất để làm cơ sở chất tải và định hướng trong vận hành. Kết quả thu được từ các ví dụ ứng dụng cho thấy khoảng cách kmin, tuy chỉ là khoảng cách cục bộ nhưng có ý nghĩa quan trọng trong việc vận hành hệ thống điện, nếu vận hành theo hướng véc tơ nuy η dẫn đến kmin thì đó là hướng xấu nhất và nhanh nhất dẫn đến mất ổn định điện áp. Từ khóa: khoảng cách ngắn nhất kmin Abstract Voltage collapse research is a significant problem in the electrical system studies. This paper introduces a method of determining the kmin shortest distance to voltage instability in power system based on the determination of ŋ vectors from the Jacobian matrix of the power distribution problem as a basis for substance load and operational orientation. Results obtained from the application example shows the distance kmin only local distance but significant in the operation of the power system, if operated under the direction vector ŋ led to kmin, it is worst and fastest lead to voltage instability. Keywords: kmin shortest distance 1. Đặt vấn đề Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện là một trong những công việc hết sức cần thiết trong quá trình phân tích ổn định điện áp, đặc biệt là đối với hệ thống điện phức tạp như Việt Nam khi phải đối mặt với tình trạng quá tải liên tục trong mùa khô, trong quá trình vận hành hệ thống điện có rất nhiều nguy cơ xảy ra như: mất ổn định điện áp, tan rã hệ thống điện, để hạn chế những nguy hiểm và vận hành an toàn thì phương pháp xác định khoảng cách kmin dẫn đến mất ổn định điện áp thật sự cần thiết trong việc hỗ trợ vận hành, theo dõi được hướng vận hành nguy hiểm nhanh chóng gây bất lợi cho hệ thống điện. 2. Phương pháp xác định khoảng cách ngắn nhất kmin 2.1 Phân bố công suất bằng phương pháp Newton Raphson Xét một nút của hệ thống điện như Hình 2.1 Hình 2.1: Nút tiêu biểu của hệ thống điện
2. Áp dụng định luật Kirchoff về dòng điện có: IyVyVVi . .( ) yVV .( ) yVV .( ) i0 i i 1 i 1 i 2 i 2 in i n (2.1) (yi0 y i 1 y in ). V i y i 1 . V 1 y i 2 . V 2 y in . V n Hoặc: nn Ii V i  y ij y ij V j jj 01 Hoặc: n IYVij  ij . (2.2) j 1 Chuyển sang tọa độ cực: n IYVi  ij j () ij j j 1 Công suất phức tại nút i là: . * Pi jQ i V i I i ; i = 1, 2, , n (2.3) Thay (3.11) vào (3.12) thu được: n (2.4) Pi jQ i V i ()()  i Yij V j   ij  j j 1 Công suất thực và công suất phản kháng có thể được viết như sau: n i = 1, 2, 3, , n (2.5) PVVYi  i j ijcos( ij  j  i ); j 1 n i = 1, 2, 3, , n (2.6) QVVYi  i j ijsin( ij  j  i ); j 1 Bỏ qua các chi tiết lập trình, thuật toán lặp cho việc giải bài toán phân bố công suất bằng phương pháp Newton-Raphson như sau: sch sch  Với nút P, Q: công suất Pi , Qi được biết trước, giá trị biên độ điện áp và góc pha của nó được gán bằng giá trị của nút cân bằng. (0) (0) Vvii 1,0 à 0,0 k k Pi , Qi : được tính theo phương trình (2.5) và (2.6). k k ΔPi ΔQi : được tính theo phương trình: ()()k sch k ()()k sch k PPPi i i , QQQi i i sch  Với nút P, V: công suất Pi và Vi được biết, góc pha được gán bằng góc pha của nút cân (0) bằng, i 0,0 k Pi được tính theo phương trình (2.5). k ΔQi được tính theo phương trình:
3.  Tính các phần tử của ma trận Jacobian: Ma trận Jacobian đặc trưng cho mối quan hệ tuyến tính hóa giữa sự thay đổi nhỏ góc điện áp ()k ()k ()k ()k i và biên độ điện áp Vi với sự thay đổi của công suất tác dụng và phản kháng Pi , Qi . Viết rút gọn như sau: P JJ12  Q JJ34 V Trong đó: - Phần tử J1 của ma trận Jacobian: Pi  VVYi. j . ij .sin( ij  i  j ) i ji# Pi VVYi. j . ij .sin( ij  i  j ) i - Phần tử J2 của ma trận Jacobian: Pi 2VYVVYi . ii .cos ii  i . j . ij .cos(  ij  i  j )  Vi ji# Pi VVYi. j ij .cos( ij  i  j )  Vj - Phần tử J3 của ma trận Jacobian: Qi  VVYi. j ij .cos( ij  i  j )  i ji# Qi VVYi. j ij .cos( ij  i  j )   j - Phần tử J3 của ma trận Jacobian: Qi 2VYVYi . ii .sin ii  j . ij .sin(  ij  i  j )  Vi ji# Qi VYi. ij .sin( ij  i  j )  Vj  Tính biên độ điện áp và góc pha: (k 1) ( k ) ( k ) VVVi i i (k 1) ( k ) ( k ) i  i  i  Quá trình lặp được tiếp tục cho đến khi phần dư công suất nhỏ hơn độ chính xác yêu cầu: ()k Pi  ()k Qi  2.2 Phân tích modal V – Q
4. Ổn định điện áp có thể được xác định bằng cách tính toán trị riêng và véc tơ riêng của ma trận Jacobian rút gọn JR. Ma trận Jacobian JR được phân tích thành: J R   (2.7) Trong đó: ζ: là ma trận véc tơ trị riêng phải của ma trận JR. η: là ma trận véc tơ trị riêng trái của ma trận JR. Δ: là ma trận trị riêng đường chéo của ma trận JR. Từ phương trình (2.9) có: 1 1 J R   (2.8) Thay (2.10) vào (2.8) có: ΔV = ζ. Δ-1. η. ΔQ (2.9) Biểu thức (2.11) được viết thành:   V  i i Q (2.10) i i Trong đó: ζi: là cột thứ i của véc tơ trị riêng phải của ma trận JR. ηi: là cột thứ i của véc tơ trị riêng trái của ma trận JR. λi: là trị riêng thứ I của ma trận JR. Mỗi trị riêng thứ i tương ứng với véc tơ trị riêng phải ζi và trị riêng trái ηi sẽ xác định modal thứ i của hệ thống (đáp ứng V – Q). 2.3 Phương pháp xác định khoảng cách nhỏ nhất kmin. 2.3.1 Các bước thực hiện: - Bước 1: Phân bố công suất hệ thống điện. - Bước 2: Thành lập ma trận Jacobian Jx, ma trận Jacobian Jx là ma trận thông số hệ thống, x(V, θ) - Bước 3: Xác định nuy η0 từ điểm tải ban đầu ρ0(P0, Q0) và η0 được chuẩn hóa bằng 1, 0 1. Trong đó: nuy η0 được tính theo các bước như sau: - Xác định trị riêng bé nhất của ma trận Jacobian Jx. - Xác định véc tơ riêng trái WJx từ ma trận véc tơ riêng trái của Jx. - Công thức xác định như sau: 0 WJJx P trong đó: JP là ma trận Jacobian thông số chế độ, ρ(P, Q) - Bước 4: Chất tải theo hướng η0 và kiểm tra điều kiện det Jx = 0. Ta tăng tải theo hướng η0 cho đến khi ma trận Jacobian Jx suy biến (tức là det Jx =0), lúc này ta sẽ tìm được điểm tải mới ρm(Pm, Qm). mm 00k  - Bước 5: Phân tích modal tại ρm(Pm, Qm) và tính ηm.
5. Ở bước này, sau khi tìm được ρm(Pm, Qm) ta tiến hành phân bố công suất hệ thống điện ứng với điểm tải mới ρm(Pm, Qm) và ta tìm được ma trận Jacobian Jx mới, tương ứng ta tìm được một véc tơ riêng trái mới, cuối cùng ta xác định được nuy mới ηm và giá trị ηm cũng được chuẩn hóa bằng 1. - Bước 6: Xét điều kiện hội tụ của nuy η. Ở bước này, sau khi tính được giá trị nuy ηi, ta tiến hành kiểm tra tính hội tụ của nó, nếu giá trị nuy ηm+1 ở bước lặp sau có giá trị bằng với giá trị nuy ηm ở bước lặp trước thì ta tìm được giá trị kmin, được tính theo công thức: kmin * 0 Trong đó: ρ*(P*, Q*) là điểm tải sau khi chất tải mà có giá trị nuy η hội tụ. ρ 0(P0, Q0) là điểm tải ban đầu. Nếu giá trị nuy ηm+1 ở bước lặp sau có giá trị khác với giá trị nuy ηm ở bước lặp trước thì ta tiếp tục chất tải cho đến khi giá trị nuy hội tụ. Biểu thức xác định ρ*(P*, Q*) khi giá trị nuy ηm đã hội tụ về nuy η*, * 0k *  * 2.3.2 Lưu đồ xác định khoảng cách kmin BĐ Đ Phân bố công suất HTĐ Nuy η hội tụ S Thiết lập ma trận Jacobian Jx Tìm được Tìm được ρ (P , Q ) Ρ*(P*, Q*) m m m Xác định nuy η0 từ điểm ban đầu ρ0(P0, Q0) Phân tích modal tại ρm, Xác định được kmin tính nuy ηm Chất tải theo hướng η0. kmin * 0 Đ Chất tải theo hướng Det J =0 nuy η end x m S Tiếp tục chất tải
6. 3. Ứng dụng 3.1 Hệ thống điện 2 nút. Hình 3.1: Hệ thống điện 2 nút Thông số hệ thống điện: Chiều dài đường dây, L = 480 km. Trở kháng đường dây, r = 0 ohm/km. Cảm kháng đường dây, x = 0,25 ohm/km. Ucb = 220 KV, Scb = 100 MVA Công suất thực, Pnút = 80 MW. Công suất phản kháng, Qnút = 40 MVAr. Nút 1: nút góc, điện áp nút góc: V 100 0 0 Nút 2: nút tải, điện áp nút tải P, Q: VV1  Sau 05 bước lặp ta thấy giá trị nuy η5 trùng lại η4 và bài toán đã hội tụ về  (0,4388 0,8986 , ρ*(0,9767; 0,7616) ta tìm được khoảng cách ngắn nhất từ dẫn đến mất ổn định điện áp là kmin = 0,4025. Bảng tóm tắt các kết quả tìm được qua các bước lặp Khoảng cách tới mất ổn Bước lặp Giá trị nuy ηi Công suất Pi; Qi định ki 1 [0,5257 0,8506] 0,40745 1,0142; 0,7466 2 [0.4513 0.8924] 0,40249 0,9816; 0,7592 3 [0.4406 0.8977] 0,40246 0,9773; 0,7613 4 [0.4390 0.8985] 0,40245 0,9767; 0,7616 5 [0,4388 0,8986] 3.2 Hệ thống điện 4 nút. Hình 3.2: Hệ thống điện 4 nút
7. Thông số hệ thống điện: Trở kháng đường dây, r12 = r13 = r14 = r24 = r34 = 0.1 ohm/km. Cảm kháng đường dây, x12 = x13 = x14 = x24 = x34 = 0,7 ohm/km. Ucb = 220 KV, Scb = 100 MVA 0 Nút 1: nút cân bằng: V1 10 . 0 Nút 2: nút tải: VV2  2 2 , công suất: P2 = 120 MW, Q2 = 70 MVAr 0 Nút 3: nút tải: VV3  3 3 , công suất: P3 = 120 MW, Q3 = 50 MVAr 0 Nút 4: nút tải: VV4  4 4 , công suất: P4 = 120 MW, Q4 = 50 MVAr Sau 7 bước lặp ta thấy giá trị nuy đã hội tụ và ta tìm được khoảng cách ngắn nhất từ dẫn đến mất ổn định điện áp là kmin = 0,8250 với:  (0.2759 0.2603 0.3756 0.4806 0.4145 0.5588) (1.4281 1 .4160 1 .5081; 1.0971 0.8434 0.9598) Bảng tóm tắt các kết quả tìm được qua các bước lặp: Bước Khoảng cách tới Giá trị nuy ηi Công suất Pi; Qi lặp mất ổn định ki 1.5850 1.6065 [0.3793 0.4005 0.4500 0.3946 0.3894 1 1,0150 1.6568; 1.1005 0.4312] 0.8952 0.9376 1.4143 1.3644 [0.1771 0.1359 0.9128 0.2982 0.1625 2 1.2100 2.3044; 1.0608 0.0418] 0.6967 0.5506 1.4720 1.4355 [0.2924 0.2532 0.4696 0.4757 0.3738 3 0.9300 1.6367; 1.1424 0.5137] 0.8476 0.9777 1.4714 1.4489 [0.2842 0.2606 0.3820 0.4852 0.4073 4 0.9550 1.5648; 1.1634 0.5514] 0.8889 1.0266 1.4358 1.4234 [0.2807 0.2659 0.3665 0.4841 0.4192 5 0.8400 1.5079; 1.1066 0.5532] 0.8521 0.9647 1.4281 1.4160 [0.2765 0.2618 0.3734 0.4813 0.4163 6 0.8250 1.5081; 1.0971 0.5573] 0.8434 0.9598 [0.2759 0.2603 0.3756 0.4806 0.4145 7 0.5588]
8. 4. Kết luận Phương pháp xác định khoảng cách ngắn nhất kmin dẫn đến mất ổn định điện áp trong hệ thống điện đã thể hiện được nhiều ưu điểm trong bài toán nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện. Phương pháp này có nhiều hữu ích cho công tác định hướng vận hành hệ thống điện một cách an toàn khi có sự biến động của phụ tải. Những ví dụ áp dụng được trình bày trong luận văn cho thấy chúng ta tìm được khoảng cách kmin cho từng hệ thống điện khác nhau, dựa vào các chỉ báo này người vận hành phải lập tức thay đổi hướng vận hành khác vì đó là hướng vận hành nhanh nhất dẫn đến mất ổn định điện áp. Tuy nhiên, bài báo này chỉ tìm được hướng xấu nhất để chuyển hướng vận hành, chưa chỉ ra được hướng vận hành nào là tốt nhất, đó cũng là một hướng tiếp cận để phát triển thêm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Amer Al – Hinai. 2000. “Voltage collapse prediction intreconection power systems” [2] “Power system stability anh control 1,2”. P. kunder [3] “Hệ thống điện truyền tải và phân phối”. Tác giả: Hồ Văn Hiến [4] “Ngắn mạch và ổn định điện áp trong hệ thống điện”. Tác giả: Nguyễn Hoàng Việt và Phan Thị Thanh Bình.
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.