Nghiên cứu giám sát ổn định hệ thống điện trong thời gian thực

- Xây dựng chương trình tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trong mặt phẳng công suất: Chương trình có thể cập nhật và xử lý số liệu; mô phỏ

PHẠM VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT ỔN ĐỊNH

HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG THỜI GIAN THỰC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT ỔN ĐỊNH

HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG THỜI GIAN THỰC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 62.52.02.02

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

1 PGS.TS Ngô Văn Dưỡng

2 GS TS Lê Kim Hùng

Đà Nẵng - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Phạm Văn Kiên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

TRANG THÔNG TIN VỀ LUẬN ÁN xi

DISSERTATION INFORMATION xiii

M Ở ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

5 Nội dung nghiên cứu 8

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 8

CHƯƠNG 1 10 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CỦA HTĐ 10

1.1 Mở đầu 10

1.2 Các phương pháp tính toán, phân tích và đánh giá ổn định HTĐ 12

1.2.1 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn năng lượng 13

1.2.2 Đánh giá ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov 15

1.2.3 Phương pháp phân tích đường cong PV và QV 17

1.2.4 Phương pháp phân tích độ nhạy VQ (VQ Sensitivity Analysis) và phân tích trạng thái QV (QV Modal Analysis) 21

1.2.5 Phương pháp đánh giá theo chỉ số ổn định 24

1.2.6 Các tiêu chuẩn thực dụng Markovits 28

1.3 Đề xuất phương pháp nghiên cứu 30

1.4 Kết luận chương 36

CHƯƠNG 2 37 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MIỀN LÀM VIỆC CHO PHÉP THEO ĐIỀU KIỆN GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TRONG MẶT PHẲNG CÔNG SUẤT 37

2.1 Mở đầu 37

2.2 Phương pháp tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ 38

2.2.1 Hệ phương trình trạng thái HTĐ ở chế độ xác lập 38

2.2.2 Đề xuất phương pháp GMAT để tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ 41

2.3 Chương trình tính toán đẳng trị sơ đồ sử dụng phương pháp GEMAT 44

2.3.1 Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình 44

2.3.2 Chương trình tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ 46

2.4 Xây dựng miền làm việc ổn định trong MPCS của HTĐ phức tạp 50

2.5 Xây dựng chương trình miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong mặt phẳng công suất 59

2.5.1 Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong mặt phẳng công suất 59

2.5.2 Xây dựng chương trình miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong mặt phẳng công suất 61

2.5.3 Đánh giá độ tin cậy của chương trình 63

2.6 Kết luận chương 69

CHƯƠNG 3 71 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN THEO CÁC YẾU TỐ BẤT ĐỊNH 71

3.1 Mở đầu 71

3.2 Tính chất ngẫu nhiên của các thông số vận hành và cấu trúc HTĐ 73

3.2.1 Hàm phân phối nhị thức (Binomial Distribution) 74

3.2.2 Hàm phân phối Poisson (Poisson Distribution) 74

3.2.3 Hàm phân phối chuẩn (Normal Distribution) 75

3.2.4 Hàm Weibull 77

3.3 Phương pháp xây dựng miền làm việc cho phép trong MPCS theo các thông tin

bất định của HTĐ 77

3.3.1 Thuật toán xây dựng miền làm việc cho phép trong MPCS theo các thông tin bất định của HTĐ 77

3.3.2 Phương pháp xác định số điểm cắt đường đặc tính giới hạn 80

3.4 Xây dựng chương trình xác định vùng làm việc nguy hiểm trong MPCS của công suất nút phụ tải 81

3.4.1 Xây dựng chương trình xác định vùng làm việc nguy hiểm 81

3.4.2 Áp dụng tính toán cho sơ đồ IEEE 39 nút 84

3.5 Kết luận chương 90

CHƯƠNG 4 92 ÁP DỤNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT ỔN ĐỊNH CHO HTĐ 500KV VIỆT NAM THEO CÁC YẾU TỐ BẤT ĐỊNH 92

4.1 Hiện trạng và tổng thể quy hoạch HTĐ 500kV Việt Nam đến 2025 92

4.1.1 Hiện trạng vận hành HTĐ 500kV 92

4.1.2 Quy hoạch HTĐ 500kV đến 2025 94

4.2 Thông số vận hành các TBA 500kV Việt Nam 96

4.2.1 Thực trạng Cung – Cầu điện năng 96

4.2.2 Thu thập, xử lý số liệu và xác định qui luật ngẫu nhiên của công suất các nút phụ tải 98

4.3 Xây dựng bộ số liệu ngẫu nhiên công suất P, Q cho các nút phụ tải tại các TBA 500kV 98

4.4 Áp dụng để tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất phụ tải trong MPCS cho HTĐ 500kV Việt Nam 100

4.4.1 Sơ đồ HTĐ 100

4.4.2 Thông số các phần tử của hệ thống 100

4.4.3 Chọn chế độ vận hành cơ bản 100

4.4.4 Áp dụng để tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất phụ tải trong MPCS cho HTĐ 500kV Việt Nam 102

4.5 Phân tích, đánh giá mức độ ổn định của HTĐ 500kV Việt Nam 105 4.6 Kết luận chương 109

1 Kết luận 111

2 Kiến nghị 113

Phụ lục 1: So sánh kết quả tính toán, phân tích ổn định cho sơ đồ IEEE39 nút i Phụ lục 2: Tổng trở các nhánh đường dây và máy biến áp sơ đồ IEEE39 nút v Phụ lục 3: Kết quả phân tích các số liệu thống kê phụ tải tại các TBA 500kV Việt Nam 2016 vi Phụ lục 4: Thông số HTĐ 500kV Việt Nam xxiii Phụ lục 5: Kết quả tính toán phân tích áp dụng cho HTĐ 500kV Việt Nam đến 2025 xxx Phụ lục 6: Các mã code chính sử dụng trong luận án li

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ĐTSĐ Đẳng trị sơ đồ

EVNNPT Tổng công ty truyền tải điện quốc gia

GDP Gross Domestic Product

GIS Gas Insulation Switchgear

SAS Statistical Analysis Systems

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SPSS Statistical Product and Services Solutions

TĐK Tự động điều chỉnh kích từ máy phát điện

Hình 1.4 Đường đặc tính PV xét với các dạng tải và cos 2 khác nhau [2] 18 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản (a) và sơ đồ tính toán phân tích (b) 19 Hình 1.6 Đường cong QV ứng với các chế độ vận hành khác nhau [2] 19

Hình 1.9 PVSM theo công suất phụ tải tại nút j xét cho sơ đồ IEEE 14 nút 27 Hình 1.8 Mô hình HTĐ nối với nút j (a) và sơ đồ thay thế tương đương (b) 27 Hình 1.10 Sơ đồ HTĐ có cấu trúc bất kỳ (a) và sơ đồ đẳng trị hình tia (b) 31 Hình 1.11 Miền làm việc cho phép trong MPCS xét ở chế độ bình thường (a) và chế

Hình 1.12 Miền làm việc cho phép trong MPCS xét đến các yếu tố bất định của HTĐ

34 Hình 2.1 Sơ đồ đẳng trị HTĐ (a) và miền làm việc ổn định của công suất phụ tải

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế tương đương HTĐ IEEE 9 nút (a) và sơ đồ đẳng trị về nút

Hình 2.3 Kết quả tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ dùng phương pháp GEMAT 44 Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán đẳng trị sơ đồ thay thế HTĐ dùng phương pháp

Hình 2.5 Giao diện chương trình tính đẳng trị sơ đồ 47 Hình 2.6 Giao diện nhập thông tin nút (a), nhánh ĐZ (b), MBA (c) và thiết bị bù

(d) 47 Hình 2.7 Mở sơ đồ HTĐ đã có sẵn trong cơ sở dữ liệu 48 Hình 2.8 Giao diện nhập Thông tin về các phần tử của HTĐ vào thư viện 49 Hình 2.9 Giao diện database (a) và sơ đồ nguyên lý của HTĐ(b) 49

Hình 2.11 Sơ đồ đẳng trị hình tia của HTĐ có F nguồn cung cấp 51 Hình 2.12 Thuật toán tính toán và xây dựng miền làm việc nguy hiểm 60 Hình 2.13 Giao diện chương trình (a) và đường cong giới hạn ổn định tĩnh (b) cho

khi không xét đến yếu tố bất định (a) và xét đến yếu tố bất định (b) 72 Hình 3.2 Đồ thị hàm mật độ hàm phân phối Gaussian 75 Hình 3.3 Các điểm cắt do đoạn OM3 tạo ra trong vùng nguy hiểm 78 Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán xây dựng miền làm việc ổn định của công suất phụ tải

Hình 3.5 Xác định tọa độ điểm cắt trong vùng nguy hiểm 81

Hình 3.7 Giao diện nhập số liệu Nút, nhánh DZ và nhánh MBA 82

Hình 3.9 Kết quả tính toán các đại lượng thay thế 83 Hình 3.10 Kết quả ma trận trạng thái của HTĐ IEEE 39 nút 83

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý HTĐ IEEE 39 Nút 88 Hình 3.13 Vùng làm việc nguy hiểm của công suất nút phụ tải 25 88 Hình 4.1 Sơ đồ hiện trạng HTĐ 500kV Việt Nam tính đến tháng 8/2017 93 Hình 4.2 Sơ đồ quy hoạch HTĐ 500kV Việt Nam giai đoạn 20162025 95 Hình 4.3 Biểu đồ phụ tải điển hình ngày từ Thứ 2 đến Chủ nhật năm 2016 96 Hình 4.4 Biểu đồ năng lượng ngày các tháng của HTĐ quốc gia 97 Hình 4.5 Tình hình nguồn cung điện tại Việt Nam giai đoạn 2001-2016 và dự

Hình 4.6 Giao diện nhập thông tin hệ thống của chương trình 102 Hình 4.7 Giao diện nhập số liệu Nút, nhánh DZ và nhánh MBA 103

Hình 4.9 Kết quả ma trận trạng thái của HTĐ 500kV Việt Nam 104 Hình 4.10 Một phần giao diện sơ đồ nguyên lý HTĐ 500kV Việt Nam giai đoạn

Hình 4.11 Miền làm việc ổn định xét cho nút phụ tải TBA 500kV Đà Nẵng 106

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.3 Bảng kết quả tính toán phân tích các kịch bản vận hành 66

Bảng 3.2 Công suất phát và điện áp đầu cực các máy phát điện 85

Bảng 3.4 Số liệu phụ tải tại các nút của sơ đồ IEEE 39Nút 87 Bảng 4.1 Sản lượng điện năng thương phẩm năm 2015, 2016 [60] 96 Bảng 4.2 Kết quả số liệu giá trị kỳ vọng trung bình  và độ lệch chuẩn  99 Bảng 4.3 Công suất nguồn phát và điện áp đầu cực thanh cái các TBA 101

Bảng 4.5 Bảng tổng hợp kết quả tính toán các giới hạn ổn định tại các nút phụ tải của

TRANG THÔNG TIN VỀ LUẬN ÁN

Tên đề tài luận án: Nghiên cứu giám sát ổn định hệ thống điện trong thời

gian thực

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62.52.02.02

Họ và tên nghiên cứu sinh: Phạm Văn Kiên

Khóa đào tạo: 24

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Ngô Văn Dưỡng

2 GS TS Lê Kim Hùng

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Trên cơ sở mục đích nghiên cứu đã đặt ra, luận án “Nghiên cứu giám sát

ổn định hệ thống điện trong thời gian thực” đã có những đóng góp mới trong

lĩnh vực nghiên cứu ổn định điện áp, cụ thể như sau:

- Đề xuất phương pháp tính toán đẳng trị sơ đồ GEMAT: có thể đẳng trị

sơ đồ HTĐ bất kỳ về dạng sơ đồ thay thế đơn giản Kết quả tính toán của phương pháp đề xuất GEMAT có thể dùng để áp dụng cho bài toán ngắn mạch, giải tích mạng điện và tính toán ổn định

- Xây dựng chương trình tính toán xác định miền làm việc cho phép theo

điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trong MPCS: Chương trình cho phép tính toán

cho các HTĐ phức tạp và đã được áp dụng tính toán cho HTĐ IEEE 39 nút Kết quả cho thấy chương trình tính toán hoàn toàn có thể thực hiện tính toán theo các thông số vận hành

- Đề xuất áp dụng một số hàm xác suất thống kê đặc trưng để khảo sát,

phân tích và tạo ra bộ số liệu ngẫu nhiên phù hợp với sự thay đổi của các thông

số vận hành của HTĐ như phụ tải, xác suất sự cố của các phần tử, yếu tố bất định về nguồn: Từ các tính chất của các hàm xác suất thống kê như phân phối

nhị thức; phân phối Poisson; phân phối chuẩn và hàm Weibull, và qua phân tích các phần mềm hỗ trợ phân tích và tạo bộ số liệu ngẫu nhiên, luận án đề xuất sử dụng phần mềm SPSS của hãng IBM để xây dựng bộ số liệu ngẫu nhiên cho công suất tại các nút phụ tải

- Xây dựng chương trình tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm

theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trong mặt phẳng công suất: Chương trình

có thể cập nhật và xử lý số liệu; mô phỏng sơ đồ HTĐ; tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm; đánh giá mức độ nguy hiểm ứng với trạng thái vận hành của công suất nút phụ tải

- Ứng dụng chương trình tính toán xác định miền làm việc cho phép theo

điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trong MPCS để áp dụng cho HTĐ Việt Nam 500kV giai đoạn đến 2025 có xét đến các yếu tố bất định của phụ tải

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 10 năm 2018

Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

PGS TS Ngô Văn Dưỡng:

Supervisor 1: Assoc Prof Ph.D Ngo Van Duong

Supervisor 2: Prof Dr Le Kim Hung

Training Institution: University of Science and Technology - The University of Danang

SUMMARY OF NEW CONTRIBUTIONS OF THE DISSERTATION

Based on the research objectives set out, the thesis "Study on monitoring

of power system stability in real-time" has multiple contributions in research of

voltage stability as follows:

- Propose an equivalent method of GEMAT calculation: An arbitrary

power system network can be represented by a simplified equivalent circuit Results of the proposed GEMAT calculation method can be applied to calculate power system analysis, faults and stability

- Build a simulation program to evaluate the allowed operational region

of power systems according to the static stability limitation in power plane:

This program can analyze multiscale power system networks and has been used

to analyze the IEEE 39Bus power network The simulated results show that the program can be used to analyze any practical power networks with real operational parameters

- Propose unique probability functions to monitor, analyze and generate

appropriate operational parameters such as loads, fault probability of elements

and generator’s instability factors adapted to power system changes: Based on

the results of supported software analysis on operational parameters and multiple probability’s functions such as the binomial distribution, Poisson’s distribution, standard distribution and the Weibull function, the software of SPSS from IBM is suitable to build the random parameters of load power at any node in the analyzed power system

- Build a program to calculate the dangerous operational regions of

power system according to the limitation condition of static stability in the plane of power: This program can be updated and analyzed the system’s

parameters, modeled the power system networks; calculate the dangerous operational regions of power system networks; evaluate level of danger according to operational conditions of load power

- Apply the simulation program of evaluating the allowed operational

region of power systems according to the static stability limitation in power plane to evaluate the 500kV power system of Vietnam in 2025 phase with instability factors of loads

Da Nang, February 10, 2018

Academic Supervisors Ph.D Student

Assoc Prof Ph.D Ngo Van Duong:

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng của phụ tải điện

và an ninh năng lượng để ổn định phát triển kinh tế, nhiều loại hình nhà máy điện đã và đang được xây dựng và đấu nối vào làm việc trong hệ thống điện (HTĐ) Bên cạnh đó cấu trúc của hệ thống điện ngày càng phức tạp: số nút tăng lên, vận hành mạch vòng kín,… Trong quá trình vận hành, trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải thường xuyên thay đổi theo sự thay đổi của phụ tải tiêu thụ và công suất phát của các nhà máy điện Khi công suất truyền tải vượt quá giới hạn cho phép sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp và nặng nề hơn sẽ gây mất ổn định và tan rã HTĐ Trên thế giới có rất nhiều nước đã xảy ra sự cố tan

rã HTĐ liên quan đến ổn định của hệ thống, ví dụ gần đây về vấn đề ổn định điện áp đã xảy ra các sự cố được đánh giá rất nghiêm trọng vào năm 2003 tại

Mỹ - Canada và Ý Sự cố mất điện tại Mỹ - Canada ảnh hưởng đến một khu vực khoảng 50 triệu khách hàng với sản lượng công suất bị cắt khoảng 61,8

MW trong gần hai ngày Ước tính tổng thiệt hại khoảng từ 4 đến 10 tỷ đô la

Mỹ Tại Canada là một khoản lỗ ròng với khoảng 18,9 triệu giờ làm việc, và các lô hàng sản xuất tại Ontario đã giảm 2,3 tỷ đô la Canada [1] Ở Việt Nam, theo thống kê trong thời gian qua trên HTĐ 500kV Việt Nam đã có nhiều sự cố mất điện lớn, diện rộng có liên quan hiện tượng dao động công suất lớn, mất

ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp xảy ra vào các ngày 17/05/2005, 27/12/2006, 04/09/2007, 29/03/2009, 18/06/2009, 25/07/2009, 08/07/2010 và 22/5/2013 [2], [3] Như vậy các sự cố sụp đổ HTĐ đều gây ra các vấn đề xã hội

và tổn thất kinh tế nghiêm trọng, chi phí rất lớn

Bên cạnh đó, sự gia tăng liên tục nhu cầu của phụ tải điện đáp ứng yêu cầu phát triển của nền kinh tế đã khiến cho HTĐ vận hành gần hơn với giới hạn

công suất cực đại nên tần suất mất ổn điện áp xảy ra nhiều hơn Hơn nữa, HTĐ ngày nay khi kết nối thêm các nguồn năng lượng mới như gió, mặt trời, công suất phát của các nguồn này rất phức tạp, luôn biến đổi rất nhanh và chứa các yếu tố bất định Để đảm bảo cho HTĐ vận hành an toàn, ngoài việc tính toán các chỉ số ổn định khi xây dựng các kịch bản vận hành ở chế độ offline thì trong quá trình vận hành ở thời gian thực (Real-time) cần phải tính toán, đánh giá và giám sát được mức độ ổn định của HTĐ tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau để có giải pháp xử lý kịp thời đảm bảo HTĐ vận hành an toàn Đánh giá khả năng ổn định của HTĐ đã có nhiều công trình nghiên cứu được công

bố trong và ngoài nước, tuy nhiên mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất

định Trên cơ sở đó luận án lựa chọn “Nghiên cứu giám sát ổn định hệ thống

điện trong thời gian thực” với mong muốn tìm phương pháp tính toán phân

tích ổn định phù hợp, tích hợp được các yếu tố bất định vào quá trình tính toán với thời gian đảm bảo đủ nhanh Kết quả đạt được của luận án sẽ cung cấp cho các nhân viên vận hành một công cụ giám sát, đánh giá mức độ ổn định HTĐ, đồng thời khi sử dụng hệ thống SCADA để cung cấp thông tin về thông số vận hành của HTĐ kết hợp với mô hình mô phỏng cho phép tìm kiếm được giải pháp phù hợp nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định cho HTĐ tương ứng với các chế độ vận hành khác nhau

2 Mục đích nghiên cứu

Xuất phát từ các vấn đề đã đặt ra, luận án chủ yếu giải quyết các vấn đề

có liên quan đến nội dung về phân tích các phương pháp đánh giá ổn định HTĐ,

từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp để giám sát ổn định điện áp tại nút phụ tải theo chế độ vận hành Xây dựng chương trình giám sát ổn định HTĐ thông qua miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp dựa vào thông tin đo lường, cụ thể như sau:

- Nghiên cứu đề xuất phương pháp đơn giản hóa sơ đồ HTĐ từ sơ đồ phức tạp về dạng sơ đồ đơn giản phục vụ cho bài toán đánh giá ổn định HTĐ;

- Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán xác định nhanh miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong MPCS nút phụ tải;

- Phân tích lựa chọn phương pháp xác định các hàm ngẫu nhiên của các thông số vận hành trên cơ sở bộ số liệu thu thập được từ thực tế vận hành trong thời gian quá khứ;

- Trên cơ sở đó xây dựng chương trình giám sát ổn định điện áp trong mặt phẳng công nút phụ tải theo các yếu tố bất định của nguồn, tải và cấu trúc lưới;

- Chương trình có thể lấy dữ liệu từ hệ thống SCADA để tiếp nhận thông tin về thông số vận hành của HTĐ sẽ tạo ra công cụ cho phép giám sát ổn định điện áp của HTĐ theo công suất nút phụ tải trong thời gian thực

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

- Các phương pháp tính toán phân tích và đánh giá ổn định của HTĐ;

- Các yếu tố bất định của các nguồn phát và phụ tải, xác suất sự cố trên các đường dây truyền tải, máy biến áp;

- Phương pháp đẳng trị sơ đồ theo thuật toán loại trừ Gauss, các phương pháp biến đổi ma trận;

- Tiêu chuẩn thực dụng dQ/dU để đánh giá khả năng ổn định điện áp theo

sự thay đổi của công suất nút phụ tải

b Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng tiêu chuẩn thực dụng dQ/dU và phương pháp đẳng trị sơ đồ để tính toán xây dựng thuật toán xác định đặc tính giới hạn công suất nút phụ tải

theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp [4] Trên cơ sở đó tính toán xây dựng

chương trình xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất nút phụ tải theo

điều kiện giới hạn ổn định điện áp Áp dụng tính toán xây dựng chương trình

giám sát ổn định điện áp tại các nút phụ tải của HTĐ Việt Nam giai đoạn đến

năm 2025, có xét đến các yếu tố ngẫu nhiên của công suất nút phụ tải

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

a Cách tiếp cận

❖ Trong nước

Đối với Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu đánh giá ổn định của HTĐ đã có

các công trình khoa học được nghiên cứu và công bố, trong đó có thể kể đến

các công trình tiêu biểu sau:

- Các công trình của GS TS Lã Văn Út cùng nhóm cộng sự đã nghiên

cứu, tính toán đánh giá ổn định cho đường dây truyền tải 500kV Bắc – Nam,

trước khi đóng điện hòa vào HTĐ Việt Nam Đồng thời các kết quả tính toán

đề xuất một số giải pháp nâng cao độ dự trữ ổn định cho HTĐ Việt Nam [4],

[5];

- Phân tích nhanh tính ổn định và xác định giới hạn truyền tải công suất

trong HTĐ hợp nhất có các đường dây siêu cao áp, năm 2002 của tác giả Ngô

Văn Dưỡng [4];

- Điều khiển nâng cao ổn định của HTĐ nhằm áp dụng cho hệ thống Việt

Nam 2005 của tác giả Nguyễn Bê [6];

- Tính toán phân tích ổn định động của HTĐ Việt Nam theo mô hình chi

tiết có xét đến khả năng ứng dụng TCSC, năm 2006 của tác giả Thạch Lễ Khiêm

[7];

- Nghiên cứu áp dụng các phương pháp và phương tiện điều khiển để

nâng cao ổn định và làm việc tin cậy của HTĐ, năm 2009 của tác giả Lã Minh

Khánh [8];

- Nghiên cứu ổn định điện áp để ứng dụng trong HTĐ Việt Nam, năm

2012 của tác giả Lê Hữu Hùng [2]

❖ Ngoài nước:

Từ kết quả thống kê về các bài báo công bố trên các tạp chí quốc tế có uy tín bởi trang Google Scholar (hình 1) cho thấy đã có nhiều công trình nghiên cứu được công bố về nghiên cứu đánh giá ổn định, cũng như mức độ ổn định của HTĐ tương ứng với các chế độ vận hành Nhìn chung, các công trình nghiên cứu về ổn định HTĐ nói chung và ổn định điện áp nói riêng thường sử dụng các phương pháp phổ biến sau:

- Phương pháp dựa trên khái niệm cân bằng năng lượng;

- Phương pháp dao động bé (A M Lyapunov);

- Tính toán bằng các chương trình phân tích chế độ xác lập (CĐXL) thông qua tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ Gidanov;

Hình 1 Các bài báo công bố quốc tế về ổn định HTĐ từ 1950-2017 (theo

- Đánh giá bằng các phương pháp trực tiếp phân tích ổn định HTĐ dựa trên các chỉ số TSC (Transient Stability Index) như: VSLI, VCPI, VSI, PVSM, LQP, LASSO, ISI [11]–[20];

- Phương pháp FSQV (Full Sum QV) kết hợp ANN (Artificial Neural Networks) [20], [21];

- Sử dụng các tiêu chuẩn thực dụng của Markovits để xây dựng miền làm việc cho phép trong MPCS theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh, qua đó đánh giá mức độ ổn định của HTĐ theo chế độ vận hành [4], [5], [22], [23];

- Ứng dụng các phương pháp phân tích đường cong PV, QV để đánh giá

độ dự trữ ổn định điện áp [2], [18], [24], [25]

b Phương pháp nghiên cứu

Luận án nghiên cứu ổn định của HTĐ trong các chế độ làm việc bình thường cũng như các chế độ sau sự cố Thực chất đó là khái niệm ổn định trạng thái cân bằng hệ thống theo Lyapunov [4] Mô hình HTĐ thuộc về lớp các mô hình phi tuyến Vì vậy phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov từ lâu đã được coi là cơ sở đủ mạnh và thích hợp ứng dụng cho HTĐ Khó khăn của phương pháp này khi áp dụng cho HTĐ là tính phức tạp của mô hình quá trình quá độ điện cơ diễn ra trong HTĐ Cũng chính vì thế, trong các điều kiện cụ thể người ta tìm cách áp dụng các phương pháp và tiêu chuẩn đơn giản hơn Tiêu chuẩn mất ổn định dạng phi chu kỳ được áp dụng phân tích ổn định HTĐ trong các điều kiện vận hành, khi các bộ tự động điều chỉnh kích từ máy phát điện (MFĐ) và tự động điều chỉnh công suất tua-bin được xác định là đã được hiệu chỉnh và đang làm việc tốt Tiêu chuẩn này đòi hỏi cần xét dấu chỉ riêng số hạng tự do phương trình đặc trưng Vì thế các phép tính đơn giản hơn đáng kể Tuy nhiên, kết quả chủ yếu nhận được khi áp dụng tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ (cũng như các phương pháp xét dấu đầy đủ nghiệm của phương trình đặc trưng) chỉ là sự khẳng định hệ thống có bị mất ổn định hay không trong

những điều kiện cụ thể Còn mức độ ổn định như thể nào và sự liên quan của

độ dự trữ ổn định với các yếu tố hệ thống không được thể hiện

Các tiêu chuẩn thực dụng cho phép thể hiện được quan hệ giới hạn ổn định

và quan hệ của các giới hạn này với các yếu tố hệ thống Đó là vì các tiêu chuẩn này thể hiện dưới dạng các bất đẳng thức (dạng dP/d, dQ/dU, dP/ds ) Khi đến giới hạn bất đẳng thức này trở thành phương trình Tận dụng ưu điểm này người ta đưa ra khái niệm về giới hạn ổn định xét theo thông số, và khái niệm

về độ dự trữ ổn định Luận án cũng đi theo hướng áp dụng các tiêu chuẩn thực dụng để xét giới hạn ổn định hệ thống Kết quả đạt được của luận văn nằm trong các nội dung sau đây:

- Qua phân tích các phương pháp đánh giá ổn định HTĐ, đề tài lựa chọn

sử dụng tiêu chuẩn thực dụng của Markovit để tính toán Phương pháp cho phép tính toán xác định nhanh kết quả phù hợp cho mục đích giám sát HTĐ trong thời gian thực (Real-time);

- Kết hợp thuật toán loại trừ Gauss với phép biến đổi ma trận để xây dựng thuật toán và chương trình tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ về dạng hình tia gồm các nút nguồn và một nút phụ tải quan tâm;

- Sử dụng sơ đồ đẳng trị hình tia và tiêu chuẩn thực dụng dQ/dU để xây dựng thuật toán và chương trình vẽ đường đặc tính giới hạn công suất nút phụ tải theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong MPCS So sánh kết quả tính toán với các phần mềm đang sử dụng để đánh giá độ tin cậy của chương trình;

- Dựa trên cơ sở bộ số liệu thống kế của các thông số vận hành của HTĐ trong thời gian quá khứ, xây dựng các hàm phân bố ngẫu nhiên cho từng thông

số, từ đó sử dụng phần mềm SPSS để xây dựng bộ số ngẫu nhiên cho các thông

số vận hành của HTĐ [26]–[28];

- Từ bộ số liệu ngẫu nhiên của các thông số vận hành của HTĐ, sử dụng thuật toán vẽ đặc tính giới hạn công suất nút phụ tải để xây dựng chương trình

xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất nút phụ tải trong MPCS;

- Áp dụng xây dựng chương trình giám sát ổn định điện áp cho HTĐ Việt Nam giai đoạn đến năm 2025 theo các yếu tố bất định của công suất các nút phụ tải

5 Nội dung nghiên cứu

Luận án bao gồm 4 chương, phần mở đầu và kết luận

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Kết quả đạt được của luận án sẽ mang lại các đóng góp

về mặt khoa học sau:

- Đề xuất phương pháp đẳng trị sơ đồ HTĐ phức tạp về dạng hình tia gồm các nút nguồn và một nút phụ tải quan tâm Phương pháp cho phép áp dụng để tính toán xây dựng các chương trình tính toán ngắn mạch, phân tích ổn định;

- Đề xuất phương pháp xác định nhanh đặc tính giới hạn công suất nút phụ tải trong MPCS theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp Phương pháp cho phép xây dựng chương trình giám sát ổn định theo các thông tin đo lường trong

thời gian thực;

- Xét đến các yếu tố bất định của các thông số vận hành của HTĐ, đã đề xuất phương pháp xác định vùng làm việc nguy hiểm trong MPCS nút phụ tải theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp Ứng với một trạng thái vận hành của công suất nút phụ tải và vùng làm việc nguy hiểm cho phép đánh giá mức độ

an toàn của HTĐ Trên cơ sở đó dễ dàng tìm giải pháp điều chỉnh để nâng cao

- Kết hợp chương trình giám sát mức độ ổn định của HTĐ với mô hình

mô phỏng, bằng cách điều khiển các thông số vận hành cho phép tìm giải pháp điều khiển thông số của HTĐ thực tế để nâng cao khả năng ổn định

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, PHÂN

TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CỦA HTĐ 1.1 Mở đầu

Hiện nay nhu cầu tiêu thụ điện năng phục vụ cho sự phát triển kinh tế đang tăng trưởng nhanh đặc biệt ở các nước đang phát triển như Việt Nam, dẫn đến các chế độ vận hành của HTĐ luôn ở tình trạng gần với giới hạn ổn định Bên cạnh đó áp lực về thiếu công suất nguồn cấp, các chỉ tiêu chất lượng lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và vận hành ổn định hệ thống trở thành áp lực rất lớn cho ngành điện Đây là bài toán khó đặt ra không chỉ cho ngành điện mà còn là nhiệm vụ nghiên cứu của các trường đại học, đơn vị nghiên cứu và chế tạo thiết bị cho ngành điện Như vậy, ổn định của HTĐ là một trong những vấn

đề thật sự cần thiết phải quan tâm nghiên cứu

Sự phát triển công suất của phụ tải và sự phân bố rải rác của các loại nguồn phát khác nhau làm cho HTĐ mở rộng ở tất cả các cấp điện áp dẫn đến cấu trúc lưới điện phức tạp, sự cố mất ổn định về điện áp diễn ra với tần suất cao và là nguyên nhân gây mất điện trên diện rộng Kịch bản thường thấy ở các trường hợp này là hệ thống đang mang tải nặng do phải truyền tải một lượng công suất lớn trên lưới, tiếp đó là các sự kiện làm kích hoạt các hệ thống bảo vệ rơle tác động Thường có ba cơ chế tiến tới sự sụp đổ điện áp [5]:

- Tăng trưởng nhanh của phụ tải đẩy hệ thống đến gần biên giới ổn định;

- Một số MFĐ tiến tới giới hạn công suất phản kháng và đường cong QV dịch chuyển theo khuynh hướng tiến tới biên giới ổn định;

- Khi xảy ra sự cố làm giảm giới hạn ổn định tĩnh của hệ thống

Qua các phân tích về các sự cố đã xảy ra cho thấy, nguyên nhân chính và phổ biến đối với hầu hết các sự cố về ổn định có thể gây hậu quả nghiêm trọng

làm mất điện trên diện rộng là [2], [3]:

- Việc quản lý hành lang tuyến chưa hợp lý;

- Sự hiểu biết về hệ thống đang vận hành chưa đầy đủ;

- Mức độ nhận thức về nguy cơ của các tình huống chưa rõ ràng;

- Giám sát và phản ứng với các tình huống sự cố chưa tốt, đặc biệt là chưa có kịch bản hoàn thiện để phòng ngừa sự cố hợp lý;

- Tính toán thông số chỉnh định và phối hợp giữa các bảo vệ trong HTĐ chưa lường trước hết các tình huống sẽ xảy ra, bản thân các thiết bị bảo vệ có

độ tin cậy chưa cao

Như vậy, các sự cố xảy ra gây mất điện trên diện rộng có liên quan trực tiếp đến các bài toán: Quy hoạch và thiết kế HTĐ, Vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa HTĐ, Hệ thống điều khiển và bảo vệ HTĐ Hai hiện tượng chính có thể giám sát và theo dõi được liên quan đến ổn định trong khi xảy ra các kích động gây sự cố diện rộng là:

- Sụp đổ điện áp;

- Mất ổn định góc pha của rô-to máy phát điện

Các hiện tượng này có thể diễn ra độc lập hoặc cùng nhau Hầu hết các kích động bắt nguồn từ sự mất cân bằng công suất phản kháng, quá tải đường dây, tiếp đó là các vấn đề về mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp tiến triển thành các vấn đề mất ổn định góc pha do lỗi của các phần tử điều khiển cố gắng đưa hệ thống về trạng thái cảnh báo hoặc xác lập bình thường mới Nếu hệ thống không thể duy trì được trạng thái cân bằng nguồn – tải hoặc duy trì điện

áp nằm trong giới hạn ổn định cho phép thì HTĐ sẽ chuyển sang trạng thái đặc biệt nguy hiểm Khi hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo những

sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống:

- Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất lượng công suất lớn;

- Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng tới các hộ tiêu thụ;

- Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải

Hậu quả kéo theo:

- Bảo vệ rơle tác động cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc;

- Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải từng khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống Quá trình này có thể làm ngừng cung cấp điện trong thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động đồng bộ của các máy phát;

Hiện tương sụp đổ điện áp có thể khiến cho tan rã hệ thống nếu không có các hành động can thiệp kịp thời hoặc phải tính toán các kịch bản đối phó trước

Do hậu quả nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành HTĐ cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:

- Hệ thống cần có ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và sau sự cố;

- Cần có độ dự trữ ổn định tĩnh cần thiết để HTĐ có thể làm việc bình thường với những biến động thường xuyên của thông số chế độ;

- Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao tác vận hành và kích động của sự cố Trong điều kiện sự cố để giữ ổn định động có thể

áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử không quan trọng)

Do yêu cầu bắt buộc về tính ổn định cho HTĐ, các lý thuyết và phương pháp nghiên cứu ổn định HTĐ đã được đề xuất và phát triển Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế nhất định, đề tài luận án sẽ tập trung nghiên cứu, phân tích và lựa chọn phương pháp phù hợp cho việc tính toán đề xuất giải pháp giám sát ổn định HTĐ trong thời gian thực

1.2 Các phương pháp tính toán, phân tích và đánh giá ổn định HTĐ

1.2.1 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn năng lượng

Theo quan điểm về cân bằng năng lượng, trạng thái cân bằng của hệ thống

ổn định nếu: ΔW / ΔΠ < 0[5] Với

W = WG - WL là hiệu các số

gia năng lượng của nguồn và tải;

 là số gia thông số trạng thái

Nếu xét với những khoảng

thời gian ngắn, tương quan thì có

thể xem W ứng với các số gia

công suất, khi đó biểu thức còn có

Với mỗi HTĐ xác định, xét những điểm nút trao đổi công suất khác nhau

có thể nhận được hàng loạt biểu thức cụ thể dưới dạng biểu thức (1.1), đó chính

là các biểu thị cụ thể của các tiêu chuẩn năng lượng

Xét mô hình HTĐ đơn giản như trên Hình 1.1 [5] Tính ổn định của HTĐ trên Hình 1.1 được thể hiện bởi trạng thái cân bằng giữa công suất cơ của Tuabin và công suất điện của máy phát P() biến thiên theo góc lệch  Theo tiêu chuẩn năng lượng, HTĐ trên Hình 1.1 sẽ ổn định khi [4], [5]:

Tại thời điểm cân bằng xem như công suất Tuabin không đổi, P()=Pmsin Khi đó biểu thức (1.2) được viết lại như (1.3):

Hình 1.2 Mô hình HTĐ tại nút phụ tải (a) và đặc tính công suất phản kháng

các máy phát và phụ tải (b)

Khi đó biểu thức (1.4) được viết lại như (1.5):

Nhận xét: Như vậy phương pháp phân tích ổn định theo lý thuyết kinh điển

(tiêu chuẩn năng lượng) dựa trên các khái niệm về cân bằng năng lượng

Ưu điểm: Ưu điểm của phương pháp nghiên cứu ổn định của hệ thống vật lý nói chung và HTĐ nói riêng theo tiêu chuẩn năng lượng là ở tính đơn giản và khá hiệu quả Phương pháp còn cho một cách nhìn tự nhiên, trực quan các yếu

tố gây ra mất ổn định

Nhược điểm: Phương pháp này chưa thể hiện đầy đủ các yếu tố đặc trưng cho tính ổn định hệ thống, chẳng hạn khái niệm ổn định cổ điển và tiêu chuẩn năng lượng không xét đến yếu tố quán tính và động năng chuyển động hệ thống Ngoài ra các tiêu chuẩn được thiết lập cũng chưa có tính chặt chẽ khi xem xét đồng thời có nhiều thông số cùng biến thiên, đặc trưng ở cấu trúc HTĐ phức tạp ngày nay Các thông số có tính ràng buộc lẫn nhau nên các vòng lặp nhiều, khó hội tụ và thời gian tính toán lâu

1.2.2 Đánh giá ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov

Xét hệ thống vật lý cô lập, không chịu tác động của ngoại lực, hệ phương trình vi phân có thể mô tả dưới dạng sau [5], [9], [10], [29]:

xác định Để hiểu rõ hơn về tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov, xét ví dụ cho

mô hình HTĐ đơn giản Hình 1.1 Ở chế độ xác lập, máy phát làm việc với đặc tính công suất:

j M

Sau ngắn mạch, điểm cân bằng công suất mới tương ứng với góc lệch +0

= acrsin(PT/PM) [5] Độ lệch ban đầu 0 - +0 ≠ 0 làm xuất hiện quá trình chuyển động quá độ của điểm làm việc Lúc này, nếu quan sát nghiệm của biểu thức (1.9) với điều kiện (1.10) sẽ thấy được tồn tại một miền xác định giá trị sai lệch (0 - +0) đảm bảo cho quá trình quá độ ổn định Đây chính là miền giá trị góc lệch 0 đảm bảo cho diện tích gia tốc nhỏ hơn diện tích hãm tốc cực đại Như vậy tiêu chuẩn Lyapunov có thể áp dụng để đánh giá cho cả ổn định tĩnh và ổn định động của HTĐ

Nhận xét: Phương pháp phân tích ổn định theo Lyapunov dựa trên giả thiết

các kích động là vô cùng bé và hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ thống

Ưu điểm: Cho phép nghiên cứu ổn định HTĐ một cách tổng quát xét đến được yếu tố quán tính trong chuyển động quá độ của hệ thống Có cơ sở toán học chặt chẽ và phương pháp tính toán chính xác để đánh giá hệ thống có ổn định hay không [4], [5]

Nhược điểm: Về nguyên tắc, phương pháp trực tiếp của Lyapunov nếu áp dụng được sẽ rất hiệu quả: khẳng định được chắc chắn hệ thống ổn định nếu xây dựng được hệ phương trình quá trình quá độ (1.6) với các tính chất cần thiết,

có thể nghiên cứu được ổn định hệ thống với kích động bất kỳ [5] Nghĩa là xác định được cả một miền giới hạn với kích động bất kỳ trong đó hệ thống ổn định Tuy nhiên việc áp dụng gặp nhiều khó khăn và hạn chế, nhất là đối với HTĐ phức tạp do không phải lúc nào hàm (1.6) cũng tìm được, hoặc cho dù có tìm được hàm (1.6) nhưng hệ phương trình vi phân sau khi đã tuyến tính hóa có thể không hội tụ, khi đó sẽ không khẳng định được hệ thống ổn định hay không [4] Bên cạnh đó, do phải xét đến hệ phương trình có số lượng biến quá lớn, sử dụng phương pháp lặp với nhiều vòng lặp nên thời gian tính toán lâu không phù hợp với tính toán thời gian thực

1.2.3 Phương pháp phân tích đường cong PV và QV

a Phương pháp phân tích đường cong PV

Xét sơ đồ HTĐ như Hình 1.1 có sơ đồ

thay thế đơn giản Hình 1.3 Giả sử điện áp tại

các nút là: U i = Ui 0, U j = Uj j [pu]

Phương trình (1.11) thể hiện mối quan

hệ giữa điện áp với công suất tác dụng, công

suất phản kháng và điện kháng hệ thống tại nút phụ tải j [2], [22]

Tại thời điểm xác lập bất kỳ

với Pj, Qj đã biết, giải phương

Từ Hình 1.4 cho thấy, đường cong PV thể hiện sự thay đổi của điện áp U tại một nút tải cụ thể theo sự thay đổi của công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải P Qua khảo sát quan hệ giữa công suất P và điện áp nút tải U cho thấy tồn tại điểm “mũi” của đường cong PV (Pjgh, Ujgh), đây chính là điểm giới hạn ổn định điện áp nút tải hoặc còn gọi là điểm sụp đổ điện áp ứng với công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải đạt giá trị cực đại [21], [30] Điện áp giới hạn Ujgh

chỉ phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải mà không phụ thuộc vào điện kháng của hệ thống Trong khi đó công suất giới hạn Pjgh phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải đồng thời tỉ lệ nghịch với điện kháng của hệ thống Với

hệ số công suất không đổi, tăng công suất phụ tải sẽ làm cho điện áp giảm, khi

Pj lớn hơn Pjgh theo Hình 1.4 cho thấy lúc đó hệ thống không tồn tại chế độ xác lập (hệ thống mất ổn định) Như vậy có thể dựa vào đường cong PV để phân tích, đánh giá khả năng ổn định của HTĐ

b Phương pháp phân tích đường cong QV

Xét sơ đồ HTĐ đơn giản trên Hình 1.5, với nguồn PS có công suất vô cùng

Hình 1.4 Đường đặc tính PV xét với các dạng tải và cos 2 khác nhau [2]

lớn Công suất tác dụng và phản kháng tại nút phụ tải j được tính theo biểu thức sau [2], [22]:

Trong điều kiện vận hành

bình thường, khi cung cấp thêm

công suất phản kháng Q vào một nút j nào đó thì điện áp nút Uj sẽ tăng lên Khi cung cấp thêm công suất phản kháng Q vào một nút mà điện áp Uj của nút đó giảm xuống thì hệ thống được xem là không ổn định về điện áp Đường cong 1 trên Hình 1.6 tương ứng với hệ thống vận hành ở chế độ bình thường Các điểm

O1a và O1b là điểm giao nhau của đường cong 1 với trục điện áp U tương ứng với chế độ không bù

(QC=0), trong đó điểm O1a

là điểm làm việc ổn định

Đường cong 2 trên Hình 1.6

tương ứng với chế độ tải

tăng lên hoặc ở chế độ sự cố

ngẫu nhiên N-1 trong HTĐ

Điểm làm việc ổn định Hình 1.6 Đường cong QV ứng với các chế độ

vận hành khác nhau [2]

Q C X/E

1

-0.2 0 0.2

2

V/E

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

-0.1 0.1

0.3 0.4

tương ứng với chế độ không bù của đường cong 2 là điểm O2 Các giá trị Q1 và

Q2 thể hiện trên Hình 1.6 là độ dự trữ công suất phản kháng có giá trị bằng với khoảng cách tính từ điểm làm việc cơ sở (trục U) cho đến điểm xảy ra hiện tượng mất ổn định điện áp (điểm mũi của đường cong QV) [2], [31] Từ đường cong QV ta có thể xác định được độ dự trữ công suất phản kháng là khoảng cách từ điểm vận hành (điểm giao cắt của đường cong QV nhánh bên phải với trục hoành) theo phương thẳng đứng đến điểm cực tiểu của đường cong QV (Qdt, Ugh) hay còn gọi là điểm giới hạn ổn định điện áp của nút kiểm tra ứng với một chế độ vận hành

Nhận xét:

Ưu điểm:

- Có thể sử dụng các phần mềm tính toán giải tích mạng điện để xây dựng

đường cong PV, QV cho HTĐ phức tạp theo phương pháp trào lưu công suất dùng thuật toán Newton - Raphson, bằng cách làm nặng dần chế độ (kịch bản tăng dần phụ tải cho đến khi bài toán không hội tụ) để xác định toạ độ điểm giới hạn;

- Đường cong QV có thể được tính toán tại các điểm nút cùng với đường

cong PV để kiểm tra ổn định điện áp Do vậy độ dốc của đường cong QV đánh giá mức độ ổn định điện áp của nút kiểm tra;

- Với việc xác định được độ dự trữ công suất phản kháng tại nút phụ tải

có thể giúp xác định được dung lượng bù ngang cần thiết để phục hồi điểm làm việc hoặc để đạt được điện áp vận hành mong muốn hoặc có phương thức vận hành phù hợp;

- Tiêu chuẩn có dạng các bất đẳng thức giải tích, do đó tính được trạng

thái giới hạn Trong biểu thức có chứa các thông số HTĐ, do đó có thể đánh giá được các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính ổn định

Nhược điểm: Phương pháp đường cong P-V, Q-V biểu diễn quan hệ giữa công

suất với điện áp khi cho tăng công suất theo một kịch bản nhất định, kết quả xác định được công suất Pgh, Qgh ứng với giá trị điện áp ở điểm sụp đổ điện

áp Tuy nhiên công suất thay đổi thực tế thường không đúng với kịch bản đặt

ra, đồng thời phải tính toán bài toán trào lưu công suất với chế độ làm nặng nên thời gian tính toán lâu do đó không phù hợp khi khảo sát trong thời gian thực.

1.2.4 Phương pháp phân tích độ nhạy VQ (VQ Sensitivity Analysis) và phân tích trạng thái QV (QV Modal Analysis)

a Phương pháp phân tích độ nhạy VQ

Khi tính toán trào lưu công suất theo phương pháp Newton-Raphson, các phương trình tính toán dòng công suất P, Q sẽ có dạng như sau [2], [30]:

- P: độ lệch công suất tác dụng tại nút, [MW];

- Q: độ lệch công suất phản kháng tại nút, [Mvar];

- : độ lệch của góc điện áp nút, [độ];

- U: độ lệch của độ lớn điện áp nút [kV]

Các phần tử của ma trận Jacôbi cho biết độ nhạy giữa sự thay đổi trào lưu công suất và điện áp nút Ổn định điện áp HTĐ bị ảnh hưởng bởi cả hai thông

số P và Q Tuy nhiên, tại mỗi điểm làm việc nếu giữ P không đổi thì đánh giá

ổn định điện áp sẽ thực hiện bằng cách xét mối liên hệ tăng lên giữa Q và U Mối quan hệ giữa Q và U được thể hiện [2]:

Với JR =JQV−J J JQ P−1 PV

là ma trận Jacôbi rút gọn của HTĐ

ổn định về điện áp Giá trị độ nhạy càng nhỏ thì nút đó càng ổn định điện áp [2] Khi mức độ ổn định của hệ thống suy giảm, giá trị của độ nhạy sẽ tăng lên

và sẽ tiến tới vô cùng ở điểm giới hạn ổn định điện áp Ngược lại, nếu giá trị

độ nhạy có giá trị âm thì biểu thị nút đó không ổn định điện áp

b Phương pháp phân tích trạng thái VQ

Đặc tính ổn định điện áp của HTĐ có thể được nhận biết bằng sự tính toán các giá trị riêng và véc tơ riêng của ma trận Jacôbi rút gọn JR [32], [33] thể hiện bởi phương trình (1.19):

Với:

- ξ: ma trận véc tơ riêng bên phải của JR;

- η: ma trận véc tơ riêng bên trái của JR;

- Λ: ma trận giá trị riêng đường chéo của JR

Từ phương trình (1.19) ta có: J-1R = Λ η-1 thay vào phương trình (1.18):

, phương

trình (1.20) được viết lại:

Sự khác nhau giữa phương trình (1.18) và phương trình (1.23) đó là  −1

là một ma trận đường chéo trong khi đó J tổng quát không phải là ma trận -1Rđường chéo [21], [32] Vì vậy từ phương trình (1.23), xét trạng thái thứ i ta có:

Nhận xét

Ưu điểm: Phương pháp phân tích chỉ số độ nhạy VQ và phân tích trạng thái

QV có thể được sử dụng để xác định tình huống xấu nhất của việc tăng tải Giá trị riêng cũng cho biết một chỉ số của khoảng cách đến giá trị tải lớn nhất Phân tích trạng thái có thể xác định mức độ ổn định của hệ thống và có thể xác định được giới hạn công suất truyền tải trên hệ thống

Nhược điểm: cũng giống như phương pháp phân tích đường cong PV và QV, phương pháp phân tích chỉ số độ nhạy VQ và trạng thái QV dựa vào tính toán các ma trận Jacôbi khi tính toán bài toán trào lưu công suất bằng Newton- Raphson Phương pháp này cũng yêu cầu tăng công suất theo một kịch bản

nhất định Tuy nhiên công suất thay đổi thực tế thường không đúng với kịch bản đặt ra, đồng thời thời gian tính toán lâu nên không phù hợp khi khảo sát trong thời gian thực

1.2.5 Phương pháp đánh giá theo chỉ số ổn định

Đã có nhiều công trình nghiên cứu đã đề xuất phương pháp phân tích ổn định điện áp và độ dự trữ ổn định điện áp dựa trên các phương pháp truyền thống như đã phân tích ở trên Những phương pháp này cung cấp kết quả đầy

đủ và chính xác nhưng chúng thường bị hạn chế do phải thực hiện nhiều vòng lặp nên thời gian tính toán lâu Để phù hợp với yêu cầu giám sát ổn định trong thời gian thực, trong những năm gần đây đã có nhiều bài báo đề xuất các phương pháp mới đánh giá nhanh ổn định điện áp dựa trên các chỉ số như chỉ

số Lmn [6], chỉ số tiệm cận sụp đổ điện áp (VCPI) [7][34], chỉ số đánh giá nhanh

ổn định điện áp VSI, FVSI [13], [25], chỉ số ổn định đường dây truyền tải LQP, biên độ ổn định điện áp theo công suất (PVSM) [18],…

a Chỉ số ổn định đường dây L mn (Line statbility index)

Chỉ số này được sử dụng để đánh giá ổn định cho từng nhánh đường dây trong lưới điện truyền tải kết nối giữa hai nút i và j Xét mô hình đường dây truyền tải như Hình 1.7, chỉ số Lmn được tính theo biểu thức sau [35]:

i

4XQL

- : góc lệch điện áp giữa hai đầu đường dây, [độ];

- X: điện kháng của đường dây, [];

- Qj: công suất phản kháng nhận được ở cuối đường dây, [Mvar];

- Ui: điện áp pha đầu đường dây, [kV]