Nghiên cứu phương pháp xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống điện phức tạp, ứng dụng vào hệ thống điện việt nam tt

Vấn đề thường được đặt ra là: trạng thái vận hành hiện tại của HTĐ còn cách giới hạn ổn định GHÔĐ bao xa, làm thế nào để định lượng được mức độ ổn định của trạng thái này?. 2 Mục tiêu củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1, GS TS Lã Văn Út

2, TS Trương Ngọc Minh

Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi … giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1) Đặt vấn đề

Hệ thống điện (HTĐ) truyền tải đang có xu hướng ngày càng được kết nối mở rộng và phát triển phức tạp hơn so với trước đây Tuy nhiên, năng lực truyền tải của lưới điện không phải vô hạn Có rất nhiều rào cản kỹ thuật đối với khả năng tải của lưới điện như: giới hạn phát nóng, giới hạn sụt áp và giới hạn theo điều kiện ổn định HTĐ Vì đầu tư mới ngày càng khó khăn nên các HTĐ ngày nay thường có xu hướng khai thác tối

đa giới hạn truyền tải cho phép để đảm bảo bài toán kinh tế hệ thống Trong các giới hạn truyền tải theo điều kiện kỹ thuật, giới hạn theo điều kiện ổn định là khó xác định nhất, do sự đa dạng về bản chất hiện tượng ổn định Vấn đề thường được đặt

ra là: trạng thái vận hành hiện tại của HTĐ còn cách giới hạn

ổn định (GHÔĐ) bao xa, làm thế nào để định lượng được mức

độ ổn định của trạng thái này?

Trong vận hành, mỗi phương thức điều chỉnh chế độ đều liên quan đến sự thay đổi các đặc trưng ổn định và tương quan với chế độ giới hạn cho phép Khi hoạt động theo cơ chế thị trường điện (TTĐ), các phương thức giao dịch xuất hiện liên tiếp và đa dạng, bài toán quản lý hệ thống xét đến GHÔĐ cần được giải quyết thường xuyên Trong thiết kế quy hoạch HTĐ, việc lựa chọn cấu trúc sơ đồ, phương án đặt thêm thiết bị nâng cao ổn định hệ thống cũng cần xem xét đến hàng loạt tình huống chế độ khác nhau liên quan đến GHÔĐ Để đáp ứng cho các bài toán trên cần có những phương pháp tính toán nhanh, thuận tiện chế độ GHÔĐ, xét được hàng loạt các kịch bản và phương thức khác nhau trong thời gian ngắn

2) Mục tiêu của luận án

Đề tài luận án được đặt ra với mong muốn góp phần nghiên cứu phương pháp tính toán nhanh chế độ GHÔĐ của HTĐ Phương pháp tính toán nhằm ứng dụng cho HTĐ sơ đồ phức tạp nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng

3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là HTĐ phức tạp bất kỳ

Mô hình lưới điện tính toán kiểm tra gồm: sơ đồ đơn gản 3 Bus, Ward & Hale 6 bus, IEEE 14 Bus, IEEE 39 Bus; áp dụng

tính toán cho HTĐ Việt Nam gồm sơ đồ HTĐ 500-220-110 kV năm 2016 Miền Tây Nam Bộ 138 Bus 288 nhánh, sơ đồ HTĐ 500-220 kV Việt Nam năm 2020 gồm 122 Bus 194 nhánh

Về phạm vi nghiên cứu, luận án nghiên cứu khía cạnh GHÔĐ tĩnh của HTĐ (Steady State Stability Limit), nhằm đánh giá mức độ ổn định của trạng thái hiện hành Các kịch bản tiến đến GHÔĐ bao gồm: giới hạn công suất nguồn bơm vào nút; giới hạn công suất tải rút ra khỏi nút; giới hạn công suất truyền tải từ một nút nguồn cho trước tới một nút tải cho trước bất kỳ trong hệ thống Từ các giới hạn này sẽ xác định được hệ số dự trữ ổn định tĩnh của trạng thái hiện hành

4) Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn:

- Luận án đề xuất phương pháp tính toán mới để xác định GHÔĐ công suất nút trong hệ thống và giới hạn truyền tải song phương giữa cặp nút nguồn – tải bất kỳ Phương pháp thực hiện tính toán bằng giải tích cùng lúc cho hàng loạt kịch bản khác nhau, do đó giảm được đáng kể thời gian tính toán khi áp dụng cho HTĐ có sơ đồ phức tạp

- Phương pháp xác định GHÔĐ đề xuất trong luận án thuộc nhóm các phương pháp ngoại suy gần đúng So với các phương pháp khác cùng loại thì có độ chính xác cao hơn, có thể đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế Ngoài ra, độ chính xác càng cao khi chế độ ban đầu càng gần với giới hạn Ưu điểm này phù hợp với ứng dụng khi khảo sát hệ thống ở trạng thái nguy hiểm

- Phương pháp có ý nghĩa thực tiễn trong hoạt động điều độ HTĐ và vận hành TTĐ, giúp theo dõi giám sát, phát hiện các phương thức vận hành hoặc phương thức giao dịch gây suy giảm ÔĐ, hoặc đưa ra những giải pháp vận hành nâng cao được GHÔĐ chung của hệ thống

5) Các kết quả mới:

- Luận án đề xuất phương pháp mới gọi là Phương pháp Ngoại suy tiệm cận (NSTC) tính toán GHÔĐ công suất (CS) nút trong HTĐ dựa trên lý thuyết hình học giải tích không gian Phương pháp áp dụng tính toán đồng loạt cho tất cả các nút theo công thức giải tích mà không cần phải làm nặng chế độ vận hành và tính lặp (là cách phổ biến hiện nay)

- Trên cơ sở phương pháp đề xuất, luận án xây dựng các thuật toán và mô đun chương trình ứng dụng, đặc biệt thuận lợi khi kết hợp với một chương trình tính toán phân tích chế độ xác lập (CĐXL) của HTĐ

- Phương pháp NSTC đề xuất trong luận án có thể áp dụng

để dễ dàng tính toán được giới hạn công suất truyền tải song phương tăng thêm giữa một nút nguồn và một nút tải cho trước bất kỳ trong HTĐ (trên quan điểm ổn định tĩnh), áp dụng hiệu quả trong hoạt động của TTĐ

- Phương pháp NSTC đề xuất trong luận án tính GHÔĐ chỉ dựa trên thông tin đầu vào là thông số trạng thái hiện hành của HTĐ Do vậy, nó cũng có nhiều ý nghĩa cho hướng nghiên cứu cảnh báo và điều khiển ổn định HTĐ trong thời gian thực

6) Bố cục của luận án

Nội dung luận án bao gồm: Mở đầu; Chương 1: Tổng quan

về ổn định HTĐ và vấn đề nâng cao GHÔĐ; Chương 2: Phương pháp NSTC tính toán nhanh GHÔĐ trên cơ sở thông

số trạng thái CĐXL; Chương 3: Nâng cao ổn định HTĐ trong điều kiện hoạt động của TTĐ; Chương 4: Nghiên cứu mở rộng ứng dụng phương pháp

Ổn định góc lệch Angle Stability

Ổn định điện áp Voltage Stability

Ổn định với kích động nhỏ Small-Signal Stability

Ổn định với kích động lớn Large Disturbance Stability

Mất ổn định phi chu kỳ Non- oscillatory Instability

Mất ổn định dao động Oscillatory Instability

Ổn định ngắn hạn Transient Stability

Ổn định dài hạn Long-term Stability

Ổn định trung hạn Mid-term Stability

Ổn định tĩnh Steady- state Stability

Ổn định động Dynamic Stabilit y

được trạng thái vận hành cân bằng trong điều kiện bình thường (với các kích động nhỏ ngẫu nhiên) và có thể trở lại được trạng thái cân bằng sau khi chịu tác động của các kích động lớn Nghiên cứu ổn định là yêu cầu bắt buộc đối với tất cả các HTĐ, bởi yêu cầu đảm bảo ổn định liên quan trực tiếp đến việc thiết kế hệ thống truyền tải điện, xây dựng phương thức vận hành cũng như các giải pháp khắc phục khi sự cố Mỗi loại ổn định sẽ có những đặc trưng riêng, phương pháp nghiên cứu riêng, có thể phân loại ổn định HTĐ như sơ đồ hình 1.5

1.2 Tổng quan các phương pháp đánh giá ổn định HTĐ

Để kết luận một hệ động học có ổn định hay không, cần dựa trên tiêu chuẩn đánh giá ổn định Tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov được coi là tiêu chuẩn chung nhất và được sử dụng rộng rãi, trong đó có việc nghiên cứu ổn định HTĐ Định nghĩa dạng toán học như sau

Xét hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân (viết dạng vec tơ):

(t0)| <  thì với mọi t ≥ t0 luôn có |x(t) - (t)| <  Nếu có một

số 0 nào đó mà với nó không tồn tại số  nào cả cho dù  được chọn nhỏ tùy ý thì hệ thống được gọi là không ổn định

Hệ thống được gọi là ổn định tiệm cận nếu nó ổn định theo Lyapunov, ngoài ra tất cả các nghiệm x(t) với điều kiện đầu đủ gần (t0), khi t → + ∞ sẽ tiến đến (t):

tìm hàm V thay thế cho hàm f(x) Đa số các nghiên cứu về ổn định HTĐ dựa trên phương pháp thứ nhất của Lyapunov Theo phương pháp thứ nhất, sự ổn định kích động nhỏ của hệ thống phi tuyến được xác định thông qua các nghiệm của hệ xấp xỉ bậc nhất nhận được từ hệ (1.1):

 x  A  x (1.2)

Trong đó: ∆x(t) = x(t) - x(t0) Ma trận A nhận được qua phép xấp xỉ tuyến tính các hàm f xung quanh điểm cân bằng x(t0)

n 1 n

n 2 2

2 1 2

n 1 2

1 1 1

nn 2

1

n 22

21

n 12

11

x

f x

f x f

x

f x

f x f

x

f x

f x f

a

a

a

a

D(s) = a0sn + a1sn-1 +… aisn-i +…+ an-1s + an = 0 (1.3) Trong môi trường phức, PTĐT có n nghiệm Phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov được phát biểu như sau:

- Nếu các nghiệm PTĐT đều có phần thực âm thì hệ thống (1.2) ổn định tiệm cận và có thể suy ra hệ thống phi tuyến ban đầu (1.1) ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng

- Nếu ít nhất một nghiệm PTĐT có phần thực dương thì hệ thống (1.2) không ổn định và hệ (1.1) cũng không ổn định tại điểm cân bằng

- Nếu các nghiệm PTĐT có phần thực bằng không, phương pháp xấp xỉ bậc nhất không đưa ra kết luận gì về sự ổn định hệ thống ban đầu (1.1)

Do việc xác định các nghiệm của PTĐT (1.3) là rất khó khăn nên trong thực tế, dựa trên nền tảng lý thuyết ổn định Lyapunov, nhiều tác giả đưa ra các tiêu chuẩn thực dụng, dễ sử dụng hơn để đánh giá ÔĐ HTĐ Có thể kể đến là tiêu chuẩn đại

số Hurwitz (lập các ma trận Hurwitz và tính các định thức con),

tiêu chuẩn tần số Mikhailov (khảo sát số gia tổng của các góc véc tơ D(jω)), tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ Det(J) < 0 1.3 Tiêu chuẩn xác định trạng thái GHÔĐ của HTĐ

Về nguyên tắc, dựa trên mỗi tiêu chuẩn đánh giá ổn định HTĐ đều có thể tìm được trạng thái GHÔĐ khi tiến hành làm nặng chế độ hiện hành cho đến khi tiêu chuẩn bị vi phạm Các tiêu chuẩn ở chế độ giới hạn được sử dụng nhiều là:

- Một nghiệm của PTĐT nằm trên trục ảo, các nghiệm còn lại đều ở phía trái trục ảo (tiêu chuẩn chung)

- Với HTĐ đang vận hành khi các thiết bị điều chỉnh tự động (ĐCTĐ) làm việc tốt có thể áp dụng tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ thì tiêu chuẩn chế độ giới hạn là An = 0 hay Det(J)=0 Trong đó An là số hạng tự do PTĐT còn Det(J) là định thức Jacobi hệ phương trình CĐXL

Ngoài ra còn một số tiêu chuẩn thực dụng khác để xác định GHÔĐ HTĐ như: tiêu chuẩn Markovits (trạng thái GHÔĐ

∂ΔP/∂δ = 0, ∂ΔQ/∂U = 0); Phân tích độ nhạy dựa trên khai triển ma trận SVD (Singular Values = 0); Phân tích đường cong P-V; Chỉ số ổn định phụ tải (L = 1); Góc công suất (α =

90o)

Qua nghiên cứu tổng quan các phương pháp để tìm GHÔĐ HTĐ, có thể thấy cho đến nay vẫn chưa có được phương pháp hiệu quả để đánh giá nhanh được mức độ ổn định đối với HTĐ phức tạp Mỗi nhóm phương pháp có một hạn chế rất cơ bản:

- Nhóm phương pháp thứ nhất dựa trên cơ sở tính liên tiếp CĐXL, mặc dù có nhiều cải tiến vẫn cần đến một khối lượng tính toán rất lớn Để áp dụng phương pháp này luôn luôn cần

sự can thiệp của các chuyên gia tính toán (để thiết lập mô hình, lựa chọn kịch bản ) cho dù đã có các phần mềm trợ giúp

- Nhóm phương pháp thứ 2, thực chất là các dự báo gần đúng trạng thái giới hạn theo thông tin của trạng thái hiện hành

Do đó các kết quả có độ chính xác không cao Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn được sử dụng trong thực tế bởi các ý nghĩa so sánh

Vấn đề của các phương pháp trong nhóm phương pháp thứ

2 là nâng cao độ chính xác của phép dự báo nhằm hướng tới

các ứng dụng on-line tính toán GHÔĐ của HTĐ phức tạp Đây cũng chính là hướng nghiên cứu của luận án, nhằm đưa ra phương pháp dự báo trạng thái GHÔĐ một cách định lượng và

ổn định hoặc tránh các kịch bản tiến đến GHÔĐ Trường hợp thứ nhất thường liên quan đến các khả năng thay đổi cấu trúc

hệ thống, trường hợp sau tương ứng với các biện pháp vận hành

Các giải pháp nâng cao ổn định dựa trên việc thay đổi cấu trúc hệ thống thường liên quan đến việc lắp đặt thêm các thiết

bị điều chỉnh điều khiển như PSS tại tổ máy phát, các thiết bị FACTS trên lưới điện

Luận án quan tâm nhiều đến giải pháp vận hành để nâng cao

ổn định HTĐ Giới hạn truyền tải phụ thuộc rất rõ vào các kịch bản làm thay đổi chế độ, dẫn đến mất ổn định hệ thống Như vậy, trong quá trình vận hành nếu tránh được các kịch bản nguy hiểm thì hệ thống luôn ở trạng thái an toàn cao, với dự trữ

ổn định lớn Có thể lựa chọn những phương thức "tránh xa" biên giới miền giới hạn, để đảm bảo luôn có khoảng cách xa nhất tính từ điểm trạng thái VH đến GHÔĐ

2 PHƯƠNG PHÁP NGOẠI SUY TIỆM CẬN TÍNH TOÁN NHANH GHÔĐ TRÊN CƠ SỞ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CĐXL

Trên cơ sở khái niệm góc công suất và cách tiếp cận trong công trình của L.Wang và A A Girgis, luận án nghiên cứu phương pháp đánh giá định lượng GHÔĐ theo trị số thực của thông số (công suất - MW) Phương pháp đề xuất thuộc nhóm

tính toán theo thông số trạng thái (ngoại suy) nên có tốc độ tính toán nhanh, cho phép tính hàng loạt kịch bản công suất nút 2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp NSTC xác định GHÔĐ

Xét hệ n phương trình trong không gian n chiều với tham số

 = (1,2, ,n)T, được biểu diễn dạng véc tơ hàm: F(X,λ) = 0 Trường hợp có một thông số biến thiên, với hệ thống có n biến trạng thái có thể biểu

diễn ở dạng sau:

0 ) , x

0 ) , x

1

n

n 2

1

i

n 2

1

2

n 2

Ma trận Jacobi của hệ thiết lập được từ

hệ có dạng sau:

Theo lý thuyết hình giải tích không

gian, tại điểm cắt mặt Sfi có véc tơ pháp

tuyến với các thành phần xác định được

x

f , , x

f , x

f ( f

n i 2 i 1

i i

Space curve

Space surface

c 90

o

Gradient véc tơ

Tangent

curve

Space surface

n 1 n

n 2 2

2 1 2

n 1 2

1 1 1

x

f , , x

f x f

x

f , , x

f x f

x

f , , x

f x f

J

Đường cong không gian Cfi có đường tiếp tuyến tương ứng với phương trình đường thẳng cho theo tham số xác định được như sau:

n

0 n 2

20 2 1

10 1

s

x x

s

x x s

M x

Nếu thay đổi tỉ lệ các thành phần véc tơ (nhân với Det(J)) ta

có véc tơ chỉ hướng của tiếp tuyến đường cong:

)M, ,M,M(Tagi  i1 i2 in

Cũng theo lý thuyết hình giải tích không gian, góc α giữa 2 véc tơ trên có thể xác định theo biểu thức:

i i

i i

Tag f

Tag

* f

2 i 2

x f x

2 i 2 1 i

i ( M ) ( M ) ( M )

Ngoài ra, nhận thấy:

) J det(

M x

f

M x

f M x

f Tag

*

1

i 2

i 2

i 1 i 1

i i

2.2 Áp dụng lý thuyết hình học giải tích không gian cho hệ phương trình trạng thái HTĐ

2.2.1 Hệ phương trình chế độ xác lập trong không gian trạng thái

Giả thiết HTĐ có n+1 nút kể cả nút cân bằng (nút n+1), với

m nút nguồn (không tính nút cân bằng), trong đó có s nút nguồn dạng PV và m-s nút nguồn dạng PQ Các nút còn lại là nút tải hoặc trung gian

Với các giả thiết trên, dạng tối giản của hệ phương trình

CĐXL có thể viết được như sau:

i 1

1

P ) cos(

n+1: số nút của hệ thống Nút cân bằng được đánh số n+1,

với n+1 = 0

Pi , Qi : công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm

vào nút i (phụ tải mang dấu âm)

Ψij , yij : góc pha và mô đun của tổng dẫn Yij

i , Ui : góc pha và mô đun của điện áp nút i

Do góc ψij (với ij) thường lớn hơn 90o nên người ta còn

hay đổi biến, tính theo góc ij = ψij - 90o, khi đó ta có hệ:

i 1 j

ij j i j i ij ii 2

i 1 j

ij j i j i ij ii 2

phân tích nghiệm hệ phương trình trong không gian 2n-s chiều

như mục 2.1

2.2.2 Trạng thái giới hạn ổn định của HTĐ

Xét hệ phương trình chế độ xác lập gồm 2n-s phương trình

(2.5) và (2.6) (hoặc đưa về dạng tổng quát (2.7)) Mỗi phương

trình tương ứng với Pi hoặc Qi của hệ xác định một mặt cong

(Space Surface) trong không gian 2n-s chiều.Tách phương

trình Pi (hoặc Qi) ra, ta có 2n-s-1 phương trình còn lại xác định

một đường cong (Space Curve) trong không gian 2n-s chiều

Mỗi giao điểm giữa mặt cong và đường cong trên xác định một nghiệm của hệ phương trình chế độ xác lập HTĐ (điểm a và điểm b như minh họa ở hình 2.5)

Tại giao điểm giữa đường cong và mặt cong ta xác định một góc  là góc giữa véc tơ tiếp tuyến của đường cong (Tangent véc tơ) với véc tơ pháp tuyến của mặt cong (Gradient Véc tơ)

Góc  còn được gọi là góc công suất nút

Khi thay đổi công suất (tải hoặc nguồn) bơm vào nút i thì mặt cong và đường cong sẽ dịch chuyển tương đối so với nhau, đồng thời góc  cũng thay đổi Sự thay đổi của công suất nút

có thể dẫn tới việc hệ phương trình CĐXL đang từ có nghiệm chuyển sang vô nghiệm, hay nói cách khác, đường cong và mặt cong đang từ cắt nhau chuyển sang trạng thái không còn có giao điểm Trạng thái đường cong và mặt cong tiếp xúc với nhau là trạng thái giới hạn, hệ phương trình CĐXL chỉ có một nghiệm duy nhất

Hình 2.5 minh họa trạng thái ban đầu và trạng thái giới hạn khi hệ phương trình chỉ còn một nghiệm duy nhất: đường cong

và mặt cong tiếp xúc với nhau tại điểm c Với hệ phương trình CĐXL của HTĐ thì đó cũng là trạng thái giới hạn ổn định Rõ ràng có thể nhận dạng trạng thái giới hạn qua trị số của góc công suất  giữa véc tơ pháp tuyến của mặt cong và véc tơ tiếp tuyến của đường cong tại điểm tiếp xúc: đó là lúc  = 90o 2.2.3 Ý tưởng của phương pháp NSTC

Xét hệ (2.7), biểu diễn dạng chung của hệ phương trình CĐXL, với  của mọi phương trình giữ cố định (trong đó  là CSTD hoặc CSPK bơm vào nút k nào đó, nhận các giá trị P*k

và Q*k) trừ một trị số i của phương trình thứ i thay đổi (tương ứng với Pi hoặc Qi của nút khảo sát), ký hiệu đơn giản là λ Ta viết lại hệ phương trình ở dạng sau:

* 1 n s

n 2

1 1

n

s n 2

1

i

* 2 s n 2

1

2

* 1 s n 2

1

1

)x, ,x,x(

x

(

f

)x, ,x,

x

(

f

)x, ,x,

Pk = fi(x1, x2, , x2n-s)

Trong không gian các biến trạng thái, hàm Pk là hàm của

2n-s biến có ràng buộc, chính là hệ phương trình CĐXL (2.12a), với tham số biến thiên λ Khi λ = λ*, hàm có giá trị PK*

lại tại điểm (cũng là

nghiệm của hệ phương

trình CĐXL)

Khi tham số biến thiên,

mặt cong dịch chuyển

trong khi đường cong

không thay đổi vị trí (các

phương trình không chứa

tham số), điểm cắt dịch chuyển dọc theo đường cong Hàm Pk

sẽ đạt cực đại tại vị trí nào đó khi điểm cắt M dịch theo đường cong (hình 2.7)

Xét véc tơ pháp tuyến của mặt cong tại điểm cắt M0 Véc tơ này có các thành phần là đạo hàm riêng của hàm fi theo các