Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện có thiết bị facts và có xét ổn định động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- LÊ HOÀNG NAM PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU GIỮA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ THIẾT BỊ FACTS VÀ CÓ XÉT ỔN ĐỊNH ĐỘNG Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ HOÀNG NAM

PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU GIỮA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ THIẾT BỊ FACTS VÀ CÓ XÉT ỔN ĐỊNH ĐỘNG

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Liêm đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập cũng như chặng đường thực hiện Luận văn Những ý kiến góp ý quý báu của thầy đã giúp tôi nghiên cứu và khắc phục được nhiều thiếu sót để hoàn thành Luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt các kiến thức cho tôi trong suốt quá trình theo học tại trường Những kiến thức này chính là nền tảng ban đầu thúc đẩy tôi nghiên cứu, tìm hiểu và xây dựng Luận văn hoàn chỉnh

Xin cảm ơn bạn bè, các anh chị đồng nghiệp tại cơ quan – Tổng công ty Điện lực TP.HCM đã cùng chia sẻ, trao đổi, góp ý cho tôi trong quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện Luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bè bạn và những người thân yêu nhất đã luôn bên cạnh, tạo điều kiện tốt nhất, động viên, giúp đỡ

và là chỗ dựa vững chắc giúp tôi vượt qua nhiều khó khăn và vững tâm học tập trong thời gian qua

TP HCM, tháng 12 năm 2011

MỤC LỤC

Chương 1: GIỚI THIỆU 3

1 Đặt vấn đề: 3

2 Mục tiêu nghiên cứu: 4

3 Phạm vi nghiên cứu: 5

4 Khả năng ứng dụng của đề tài: 6

Chương 2: MÔ HÌNH CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS (SVC VÀ TCSC) VÀ CÁC THÀNH PHẦN KHÁC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 7

1 Thiết bị FACTS: 7

a) Thiết bị bù tĩnh SVC (Static VAR Compensator): 9

b) Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC (Thyristor-Controlled Series Compensator): 16

2 Các thành phần khác của hệ thống điện: 20

a) Máy phát: 20

b) Hệ thống kích thích máy phát: 23

c) Hệ thống tự động điều chỉnh vận tốc turbine máy phát: 25

d) Mạng nhánh – nút truyền tải: 27

Chương 3: ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 28

1 Bài toán ổn định động trong hệ thống điện 28

2 Thiết lập các ràng buộc ổn định động của hệ thống điện 33

Chương 4: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU GIỮA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 39

1 Hàm mục tiêu – hàm chi phí vận hành: 39

2 Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện bỏ qua tổn thất công suất trong hệ thống và công suất giới hạn của tổ máy: 40

3 Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện có xét đến tổn thất công suất trong hệ thống và bỏ qua công suất giới hạn của tổ máy: 42

4 Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện có xét công suất giới hạn của tổ máy và mức an toàn tĩnh của hệ thống: 47

Chương 5: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU GIỮA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ CÁC THIẾT BỊ FACTS VÀ CÓ XÉT ĐẾN CÁC RÀNG BUỘC ỔN ĐỊNH ĐỘNG 50

1 Phương pháp chung: 50

2 Mở rộng miền xác định của các ràng buộc ổn định tuyến tình: 53

3 Thuật toán điều độ kinh tế hệ thống điện có xét đến các ràng buộc ổn định động: 54

Chương 6: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐIỂN HÌNH 57

1 Mô hình sử dụng tính toán: 57

2 Kết quả tính toán: 61

Chương 7: KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 73

Trong vận hành hệ thống điện, một trong những bài toán căn bản cần phải giải quyết là bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF – Optimal Power Flow) giữa các nhà máy điện trong hệ thống Để tránh việc hệ thống vượt qua khỏi giới hạn ổn định, các ràng buộc ổn định động của hệ thống cần phải được đưa vào bài toán phân bố công suất tối ưu Lời giải của bài toán tổng quát này chính là tiền đề cho công tác điều độ trực tuyến nhằm đảm bảo tính

những yêu cầu mà các thiết bị bù cổ điển chưa thể đáp ứng sẽ được giải quyết triệt để như tự động điều chỉnh điện áp các nút, giảm dao động công suất, nâng cao ổn định hệ thống Ngoài ra, các thiết bị FACTS nêu trên còn góp phần vào việc phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện hiệu quả hơn, đạt tính kinh tế cao hơn

Từ các phân tích trên, việc nghiên cứu bài toán phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS và có xét đến ổn định động sẽ góp phần nâng cao tính kinh tế, độ tin cậy trong chế độ vận hành của hệ thống điện Đây là một trong những yêu cầu mang tính bức thiết khi thế giới nói chung và nước ta nói riêng đang nỗ lực tiếp cận cơ chế thị trường điện cạnh tranh, đặc biệt trong bối cảnh ngành điện lực Việt Nam

đã triển khai thị trường phát điện cạnh tranh thí điểm, giai đoạn phát triển đầu tiên của thị trường điện, kể từ ngày 01/07/2011

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Trước đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm xây dựng thuật toán giải quyết bài toán phân bố công suất tối ưu có xét đến các ràng buộc ổn định động [2-4] Nhìn chung, các nghiên cứu trước đây đã đạt được một số thành tích nhất định trong việc đưa ra lời giải cho bài toán phân bố công suất tối ưu, tuy nhiên vẫn còn nhiều khuyết điểm, tồn tại cần khắc phục như: hạn chế về mô hình hệ thống điện và tính bền vững của lời giải (nhóm phương pháp dựa trên cơ sở hàm năng lượng quá độ hoặc tiêu chuẩn cân bằng diện tích mở rộng) [5]; thời gian tính toán dài và yêu cầu quá cao về bộ nhớ lưu trữ (nhóm phương pháp dựa trên các mô phỏng trong miền thời gian của hệ thống điện với mô hình động chi tiết) [2]

Trên cơ sở kế thừa, phát huy các ưu điểm và khắc phục các tồn tại của các nghiên cứu trước đây, luận văn này sẽ đề xuất và xây dựng thuật toán tổng quát để giải bài toán phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS và có xét đến các ràng buộc ổn định động Từ đó, thuật toán này sẽ được sử dụng để giải quyết một số trường hợp hệ thống điện cụ thể để kiểm tra kết quả tính toán mô phỏng

3 Phạm vi nghiên cứu:

Ngày nay, các thiết bị FACTS đang có khuynh hướng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện do các tính năng vượt trội của nó như nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất, cho phép điều khiển dòng công suất phản kháng theo yêu cầu, tăng khả năng tải của đường dây gần đến giới hạn nhiệt, tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống Trong đó, các thiết bị SVC và TCSC với đầy đủ các tính năng trên nhưng có chi phí đầu tư thấp hơn

so với các thiết bị thế hệ sau như STATCOM, UPFC là phù hợp để nghiên cứu áp dụng trong hệ thống điện ở các nước đang phát triển như nước ta

Trước tiên, luận văn sẽ xem xét, nghiên cứu về các đặc điểm, tính năng hoạt động, chế độ làm việc và mô hình tính toán trong quá trình quá độ của những thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt FACTS bao gồm SVC và TCSC Các mô hình này sau đó sẽ được kết hợp với mô hình động của các thiết bị chính trong hệ thống điện như máy phát, hệ thống kích thích máy phát, hệ thống tự động điều chỉnh vận tốc turbine máy phát Từ đó, các mô hình quá độ trên sẽ được sử dụng trong phân tích ổn định thông qua các mô phỏng trên miền thời gian để thiết lập các ràng buộc ổn định động (transient stability constraints) Các ràng buộc ổn định động này sẽ được đưa vào bài toán phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện trong hệ thống điện

Nhiệm vụ của luận văn chính là đề xuất và xây dựng thuật toán để giải bài toán phân bố công suất tối ưu tổng quát này

4 Khả năng ứng dụng của đề tài:

Ngày nay, khi các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực tiến đến cơ chế thị trường điện cạnh tranh, vấn đề ổn định hệ thống ngày càng được xem trọng Bên cạnh đó, với các ưu điểm và tính năng vượt trội của mình, những thiết bị FACTS, điển hình là các thiết bị bù SVC và TCSC, ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các hệ thống điện để nâng cao tính ổn định và hiệu quả sử dụng của hệ thống điện Do đó, khả năng ứng dụng của đề tài luận văn

là rất hứa hẹn, đồng thời cũng là tiền đề để tiến hành nghiên cứu, phát triển thuật toán ngày càng hoàn thiện, nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng của thuật toán

Bên cạnh đó, ngành điện nước ta đã bước vào giai đoạn phát triển đầu tiên của thị trường điện là thị trường phát điện cạnh tranh thí điểm, kể từ 01/07/2011 Trong bối cảnh đặc biệt này, đề tài nghiên cứu của luận văn càng mang tính thời đại, bức thiết nhằm chuẩn bị cho thị trường điện cạnh tranh đưa vào vận hành chính thức tại Việt Nam

sở để xây dựng các ràng buộc ổn định động và đưa vào bài toán phân bố công suất tối ưu

1 Thiết bị FACTS:

Từ những thập niên cuối của thế kỷ 20, các thiết bị FACTS đã xuất hiện trên cơ sở sự lớn mạnh và phát triển vũ bão của ngành điện tử công suất Cụ thể, các mạch điện tử công suất sử dụng thyristor đã được ứng dụng rộng rãi trong những hệ thống truyền tải năng lượng điện từ đầu những năm 1980 Đầu tiên chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC), nhưng những bộ bù ngang công suất kháng có khả năng đáp ứng nhanh sử dụng các điện kháng và điện dung đã dần đáp ứng được các yêu cầu

cơ bản của truyền tải điện xoay chiều (HVAC)

Gần đây, các bộ bù dọc sử dụng thyristor ngày càng được ứng dụng rộng rãi để nâng cao “chiều dài điện” các đường dây truyền tải chủ chốt trong hệ thống, thay cho các tụ bù dọc cổ điển được điều khiển bằng các thao tác cơ liên động

Yêu cầu đặc trưng của công tác truyền tải điện là khả năng điều khiển công suất tác dụng/công suất phản kháng dung lượng lớn Và giải pháp thích

hợp đáp ứng yêu cầu đó chính là các thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt FACTS, cụ thể hơn là các bộ điều khiển điện tử công suất lớn tích hợp thyristor, như SVC hay TCSC

Các thiết bị FACTS như SVC (Static VAR Compensator) hay TCSC (Thyristor-Controlled Series Compensator) đều được phát triển từ Bộ điện kháng điều khiển bằng thyristor TCR (Thyristor-controlled Reactor) Hình 2.1

mô tả cấu trúc cơ bản của một TCR

Hình 2.1 TCR: (a) Mạch điện cơ bản của TCR; (b) Các ngõ vào

thyristor Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị TCR là cho phép điện kháng L

hoạt động như một dung dẫn (susceptance - B) điều khiển được, tùy thuộc vào

góc kích α của các thyristor

Với điều kiện các thyristor được chuyển sang trạng thái dẫn điện hoàn

toàn (full-conduction) vào thời điểm điện áp cung cấp v(t) đạt giá trị tại các

đỉnh hình sin, TCR sẽ không sinh ra bất kỳ sóng hài méo dạng bậc cao nào

Dòng điện i TCR lúc này có dạng sin và mang tính cảm, trễ hơn điện áp v(t) một

góc 90° (π/2), được minh họa trong Hình 2.2 (a) Điều kiện làm việc lý tưởng

này tương ứng với góc kích α đạt giá trị π/2 [radian]

Mặt khác, khi góc α nằm trong khoảng (π/2, π), thyristor hoạt động trong

trạng thái dẫn điện không hoàn toàn (partial-conduction) Đồ thị dòng điện

i TCR trong một số trường hợp cụ thể được minh họa trong các Hình 2.2 (b) –

(d) Nhận thấy được rằng khi góc α > π/2, đồ thị i TCR dần mất đi hình sin và có biên độ thành phần cơ bản giảm dần

Hình 2.2 Đồ thị dòng điện của TCR (a) α = 90° ; (b) α = 100°;

(c) α = 130° ; (d) α = 150°;

a) Thiết bị bù tĩnh SVC (Static VAR Compensator):

Cấu trúc SVC:

Các thành phần chính và cấu trúc điển hình của một SVC được mô tả trong Hình 2.3

Hình 2.3 Cấu trúc và các thành phần chính của một SVC điển hình

tính cảm lẫn tính dung

 Filters – dùng để lọc các sóng hài bậc thấp sinh ra bởi TCR Điều này

cũng nâng cao chất lượng bù công suất kháng ở tần số cơ bản

Hệ thống điều khiển thông thường được chia làm hai thành phần:

 Power System Control – đưa ra giá trị mục tiêu của dung dẫn (susceptance - B) để cung cấp cho Thyristor Susceptance Control Các kiểu

điều khiển có thể đạt được thông qua việc kích thyristor như điều khiển độ chúc điện áp, điều chỉnh công suất kháng, hiệu chỉnh hệ số công suất, tắt dần dao động công suất và điều khiển dưới điện áp

 Thyristor Susceptance Control – xác định các dạng kích thyristor để đạt được những trường hợp kích theo yêu cầu đưa ra bởi Power System Control

Mô hình tĩnh của SVC:

Hình 2.4 Đặc tính vận hành điển hình của SVC

Trong chế độ điều khiển độ chúc điện áp (voltage droop control mode), dòng điện phản kháng (reactive current, có thể mang tính cảm – inductive, hoặc tính dung – capacitive, như thể hiện trên hình 2.4) cho bởi công thức sau:

I / Irated = (V – Vref) / slope (2.1)

mô hình phổ biến hơn và có thể được sử dụng trong hầu hết các chương trình tính toán phân bố công suất là xem SVC như một nút PV trước một điện kháng, như Hình 2.5a Nút PV có điện áp bằng với điện áp droop của SVC theo phương thức điều khiển, điện kháng có giá trị XSL = slope / Irated

Mô hình này biểu diễn đặc tính SVC rất chính xác trong giới hạn vận hành được điều khiển Ngoài giới hạn này, SVC hoạt động như một dung dẫn

có giá trị là hằng số Tuy nhiên, các nút PV trong những chương trình tính toán phân bố công suất thông thường được cài đặt với giới hạn công suất phản kháng hơn là giới hạn về dung dẫn, nên dẫn đến mô hình sẽ biểu diễn sai khi SVC vận hành ngoài giới hạn được điều khiển

Để khắc phục, một dung dẫn có giá trị bằng giá trị dung dẫn cực đại của SVC được mắc song song, như thể hiện trong Hình 2.5b Mô hình này phù hợp khi SVC vận hành ở điện áp thấp và ngoài giới hạn vận hành, nhưng có nhược điểm là không tương thích khi SVC vận hành ở điện áp cao

Hình 2.5a Hình 2.5b

Ngoài ra, Hình 2.5c mô tả một mô hình phổ biến khác cũng được phát triển từ mô hình này Trong đó có đặt ra nút hạ áp (LV bus) của SVC và điện kháng của máy biến áp được đấu nối Khi đó, nút hạ áp của SVC có chức năng điều chỉnh điện áp của nút giả định (dummy bus) đặt trong điện kháng của máy biến áp Cần chú ý rằng, giới hạn bù tại điện áp thấp là khác với tại điện áp cao và tùy thuộc vào ảnh hưởng của máy biến áp đấu nối (có giá trị

điện kháng là XT), với điện kháng tương đương cho bởi biểu thức sau:

1 / BLV = 1 / BHV - XT (2.2)

Hình 2.5c

Mô hình động của SVC:

Trước đây, đã có hai mô hình động của SVC được đưa sử dụng trong các chương trình ổn định động, điểm khác nhau cốt lõi của hai mô hình này là mức độ chi tiết của SVC Power System Control Thông thường, Power System Control thực tế bao gồm một bộ điều chỉnh điện áp có vai trò điều chỉnh các sai số từ các đặc tính vận hành (đặc tính xác lập) Hai mô hình cơ bản được thể hiện trong Hình 2.5d và 2.5e

Hình 2.5d – Mô hình động cơ bản thứ nhất của SVC

Hình 2.5e – Mô hình động cơ bản thứ hai của SVC

Điểm khác nhau cơ bản của hai mô hình này là ở mô hình thứ hai có thêm tín hiệu hồi tiếp của dòng điện SVC nhằm xác định các tín hiệu sai số Các mô hình bao gồm cả khối đo lượng dòng điện (Measuring Circuit) và Thyristor Susceptance Control Thời gian đáp ứng của các khối này là tương đối nhanh, khoảng 10ms Tuy nhiên, khi kết hợp với bộ điều chỉnh điện áp (voltage regulator), thời gian đáp ứng kép dài trong khoảng từ 20ms đến 150ms Ngoài ra, mô hình thứ 2 còn có thêm thời gian trì hoãn trên tín hiệu dòng điện hồi tiếp, vào khoảng 10ms đến 50ms

Nhìn chung, các mô hình này được xem xét như một nguồn dòng tại nút kết nối của SVC trong các chương trình phân tích ổn định Một phương pháp

bổ trợ thêm là tính toán lại ma trận tổng dẫn của hệ thống thông qua việc xem xét SVC như một dung dẫn có giá trị thay đổi (variable susceptance)

Khởi tạo ban đầu (Initialisation) của các mô hình động:

Các điều kiện khởi tạo ban đầu cho SVC về cơ bản được xác định từ kết quả dòng công suất (loadflow):

BInitial = -QLoadflow / (VLoadflow)2 (2.1)

Phương trình trạng thái của SVC được xây dựng có dạng như sau:

Trong đó:

dt

d

p : toán tử vi phân theo thời gian

u SVC : đầu vào của bộ điều khiển đệm phụ của SVC

v SVC : tín hiệu điều khiển của SVC (Vref)

ASVC, BSVC, CSVC : Ma trận hệ số của phương trình trạng thái của SVC

và bộ điều khiển

b) Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC (Thyristor-Controlled Series Compensator):

Cấu trúc thông thường của TCSC bao gồm các tụ điện tương đương có

giá trị xác định và các TCR mắc song song với mỗi tụ, như thể hiện trong

hình 2.6a

Hình 2.6 Cấu trúc và các mô hình điều khiển của TCSC

(a) Cấu trúc chung (b) Điều khiển dòng công suất và SDC (c) Điều khiển điện kháng và SDC

Mô hình động của TCSC như hình 2.6b đã được sử dụng khá phổ biến trong các phân tích ổn định động Trong mô hình này, phương pháp điều khiển cốt lõi là điều khiển dòng công suất tác dụng (active power flow) trên đường dây truyền tải

Bộ điều khiển PI được sử dụng trong phương pháp điều khiển này, với đầu vào là tín hiệu đại diện cho công suất tác dụng trên đường dây, sao cho thỏa mãn các mục tiêu điều khiển được đặt ra

Mô hình này còn bao gồm một bộ điều khiển tắt dần đệm – SDC (Supplement Damping Controller) Cấu trúc SDC bao gồm một khối

“washout”, một bộ bù ứng động (dynamic compensator) và một khối giới hạn Khối “washout” (washout block) ngăn SDC tránh khỏi việc đáp ứng với tín hiệu DC offset hoặc điều kiện xác lập Bộ bù ứng động chứa các khối lead-lags Cuối cùng, liên quan đến một chức năng khác của SDC là tắt dần các dao động điện từ, ngõ ra của SDC phải được giới hạn thông qua một bộ giới hạn (limiter block)

Tín hiện ngõ vào của SDC có thể khác nhau, bao gồm dòng điện hoặc dòng công suất trên đường dây truyền tải, tần số hệ thống, góc pha và/hoặc tốc độ quay turbine máy phát Ngoài ra, một khối “trì hoãn” (delay block) được thêm vào nhằm tạo ra độ kích trễ của TCSC với một khoảng thời gian nhỏ cố định là 20ms

Một phương pháp điều khiển khác cung cấp bởi một TCSC là điều khiển điện kháng hoặc bù công suất Mô hình tương ứng với phương pháp này được thể hiện trên Hình 2.6c Tương tự với mô hình 2.6b, ngõ ra của SDC

cũng được liên kết với biến đầu vào X ref nhằm mục đích tắt dần các dao động điện từ Đây là phương pháp điều khiển được nghiên cứu chủ yếu trong luận văn này

Dạng phương trình trạng thái của TCSC tương ứng với phương thức điều khiển điện kháng (mô hình trong Hình 2.6c) như sau:

Trong đó:

X TCSC : vector biến trạng thái của TCSC và bộ điều khiển

u TCSC : đầu vào của bộ điều khiển đệm phụ (Supplementary Damping Controller - SDC) của TCSC, công suất tác dụng trên đường dây nối với TCSC

v TCSC : tín hiệu điều khiển của TCSC (Xref)

ATCSC, BTCSC, CTCSC : Ma trận hệ số của phương trình trạng thái của

Phương thức điều khiển dòng công suất:

Quan hệ điện áp – dòng điện trong các máy đồng bộ có thể được biểu diễn theo dạng thức ma trận sau:

v = L.p.i + G.w r .i + R.i (2.4) Trong đó:

fd q d

v v v

i i i i i

L, G: các ma trận hệ số điện cảm

R: ma trận điện trở cuộn dây (dạng ma trận đường chéo)

Biểu thức trên có thể được đơn giản hóa bằng cách tách riêng các thành phần stator và rotor, cụ thể như sau:

s sr ss r r s rr rs

sr ss r

R i

i G G i

i L L

L L V

V

.

.

s s r sr s ss r r sr s ss s

p p

p

i R i L i L V

i R i G i G i

L i L V

.

.

.

)

.(

)

sr ss r

s

i

i L L

L L ψ

.

.

.

1

s rs r rr r

r sr s ss s r

rr s rs r

r sr s ss s

i L - ψ L i

i L i L ψ i

L i L ψ

i L i L ψ

(2.9)

(2.10) Thay vào biểu thức quan hệ điện áp – dòng điện của stator (2.6):

s s rs rr sr ss r r rr r sr s

V    1  [  (  1 )  ]. (2.11)

Thành phần p.ψ s trong biểu thức trên đại diện cho các dao động quá độ

điện từ trong mạng điện Thực tế, các dao động điện cơ trong mạng điện mới

ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của máy Do đó, thành phần p.ψ s có thể

được bỏ qua, biểu thức rút gọn của V s sau khi bỏ qua thành phần dao động này như sau:

s m r m

Thành phần P m .ψ r trong biểu thức trên được mô tả như giá trị sức điện

động máy phát, Z m là ma trận trở kháng tương đương của máy Giá trị tính

toán các đại lượng P m và Z m cụ thể như sau:

] ) (

[

.

1 1

s rs rr sr ss r m

rr r sr m

R L L G G Z

L G P

) (

.

.

.

.

.

1

s rs r rr r r

r r r r r r rr s rs r

p

p p

p

i L - ψ L R ψ

i R ψ i R i L i L V

(2.16) (2.17)

p.δ r = ω r (2.18) Phương trình đại số:

i s = Y m .(P m .ψr.ω – vs)

P e = i s t . ω.G.i s

(2.19) (2.20) Trong đó:

: vector dòng điện stator dọc trục và ngang trục

P e , P mc : công suất điện và công suất cơ

ω, δ : vận tốc góc của rotor, góc rotor

Các ma trận hệ số:

rs rr r m

rr r m

L L R F

L R A

1 1

phân tích ổn định quá độ Chức năng chính của một hệ thống kích thích là cung cấp nguồn điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát đồng bộ

Hệ thống kích thích điều khiển được điện áp đầu cực máy phát, và sau đó là công suất phản kháng của máy phát

Thông thường hệ thống kích thích bao gồm một bộ bù điện áp và/hoặc

bù phụ tải, hệ thống điều khiển kích thích, cuộn dây kích từ và bộ ổn định hệ thống Luận văn này đề cập đến hệ thống kích thích loại IEEE DC1 [10], với

sơ đồ khối như Hình 2.7:

Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ thống kích từ DC kiểu IEEE DC1

Với sơ đồ khối như trên, phương trình trạng thái của hệ thống kích thích máy phát có dạng sau:

p.Xe = A e.Xe + B e u e + C e.v t (2.23) Trong đó:

V

F

r

: vector biến trạng thái của hệ thống kích thích

u e : vector các đầu vào không đổi

v t : tín hiệu điều khiển, thiết lập từ điện áp đầu cực máy phát

A e, Be, Ce : Ma trận hệ số của phương trình trạng thái của Hệ thống kích thích máy phát

A

F A

F F

F

A E

E E

e

T

1 T T

K T

T

K K

0 T

1 T

K

T

1 0 T

K S

T K 0

T K 0

0 C

(2.24)

c) Hệ thống tự động điều chỉnh vận tốc turbine máy phát:

Trong phạm vi luận văn này, ta chỉ xem xét turbine hơi để xây dựng phương trình trạng thái của hệ thống tự động điều tốc turbine máy phát Tuy nhiên, nguyên tắc mô hình hóa có thể mở rộng ra nhiều dạng turbine máy phát khác như turbine khí, turbine gió hay turbine thủy điện

Hệ thống điều tốc turbine máy phát có nhiệm vụ nhận biết những sai lệch của tốc độ quay rotor, từ đó điều chỉnh phù hợp công suất cơ đầu vào của turbine để triệt tiêu các sai lệch này Việc mô hình hóa hệ thống điều tốc rất quan trọng, đặc biệt trong phân tích ổn định quá độ

Mô hình hệ thống điều tốc được sử dụng để xây dựng phương trình trạng thái trong luận văn này là mô hình chung của IEEE [11] Theo đó, hệ thống điều tốc được mô hình hóa bằng hệ phương trình vi phân bậc hai, và turbine

được mô hình hóa bằng một phương trình vi phân bậc một Sơ đồ khối của

mô hình được thể hiện trong Hình 2.8

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc turbine máy phát

Với sơ đồ khối như trên, phương trình trạng thái của hệ thống điều tốc turbine máy phát có dạng sau:

p.Xg = A g.Xg + B g u g + C g.ω s (2.25) Trong đó:

T T

u : vector các đầu vào không đổi

ω s : tín hiệu điều khiển, thiết lập từ tốc độ rotor máy phát

3 3

1

g

T

1 - T

1 0

0 T

1 - T

1 -

0 0 T

1 -

1

d) Mạng nhánh – nút truyền tải:

i N = Y bus v N (2.27)

Trong đó, i N và v N là các vector của thành phần D-Q của dòng điện và

điện áp nút của mạng điện, Y bus là ma trận tổng dẫn nút của mạng điện có kể đến tổng dẫn của phụ tải

Ta gọi G là nút máy phát và L là nút tải:

GL GG G

v

v Y Y

Y Y i

0

GL GG

Y Y

Y Y

Kết hợp phương trình của mạng điện và máy phát:

i i

qi

di

v

v v

v

cos sin

sin cos









Chương 3:

ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1 Bài toán ổn định động trong hệ thống điện

Tầm quan trọng của ổn định hệ thống điện đã được xem xét từ giai đoạn đầu đưa vào hoạt động, khoảng những năm 1920 Khi các hệ thống điện bắt đầu gia tăng về quy mô, và ngày càng nhiều thiết bị kết nối với nhau, hiện tượng ổn định ngày càng được quan tâm, đồng thời dần hình thành như là một trong các tiêu chí đánh giá cần thiết cho công tác quy hoạch và vận hành hệ thống điện

Với nền công nghiệp liên tục phát triển, đặc biệt là các phát minh, tiến

bộ trong khoa học công nghệ, độ phức tạp của hệ thống điện đã tăng đáng kể

so với hệ thống ban đầu hình thành từ một thế kỷ trước đó Các thiết bị mới, các bộ điều khiển đáp ứng nhanh, bao gồm thiết bị FACTS và các nguồn năng lượng tái tạo, ngày càng được phổ biến trong hệ thống điện ngày nay Sự phức tạp cùng với việc các hệ thống dần được mở rộng ra nhiều khu vực địa

lý rộng lớn đã dẫn đến tiềm ẩn các sự cố ngày càng lớn, và không ít trong số

đó có thể gây hậu quả nghiêm trọng về an ninh hệ thống Hiện nay, do các yêu cầu về kinh tế, nguồn nhiên liệu và bảo vệ môi trường, năng lượng điện thường được sản xuất cách xa trung tâm phụ tải, sau đó truyền tải đến người dùng thông qua mạng lưới các đường dây dài và phức tạp Điều này dẫn đến nguy cơ gây ra các dao động, mất ổn định liên khu vực và sụp đổ hệ thống theo cấp điện áp

Ngoài ra, trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện ngày nay, các chỉ tiêu kinh tế cũng phải được xem xét bên cạnh các yêu cầu về kỹ thuật (một trường hợp ví dụ đơn giản là khuynh hướng huy động công suất từ các nguồn

điện có suất chi phí phát điện thấp, thường là những nhà máy thủy điện ở rất

xa trung tâm phụ tải) dẫn đến hệ quả là hệ thống điện hiện nay ngày càng hoạt

động gần với giới hạn ổn định của nó

Sự phức tạp, tăng trưởng, phát triển ngày càng cao như nêu trên của hệ

thống điện sẽ tương ứng với một phạm vi rất rộng của các rối loạn có thể gặp

phải khi vận hành hệ thống đó, dẫn đến một hệ thống phân loại các hình thức

khác nhau của ổn định hệ thống điện [12] được mô tả cụ thể trong Hình 3.1

Luận văn tập trung nghiên cứu về một trong những vấn đề ổn định

quan trọng nhất , đó là ổn định động góc rotor tương đối

Hình 3.1 Phân loại ổn định hệ thống điện

Ổn định động hệ thống điện:

Phân tích ổn định động nghiên cứu các phản ứng về điện cơ của hệ thống điện đối với các rối loạn hệ thống, hay còn gọi là các nhiễu loạn (disturbances) Trong thực tế, hệ thống điện phải chịu hai loại nhiễu trong quá trình vận hành, nhiễu nhỏ (small disturbances) và nhiễu lớn (large disturbances) Tuy nhiên, ổn định động chỉ nghiên cứu các phản ứng động của các hệ thống điện, đặc biệt là đáp ứng của máy phát điện đồng bộ đối với các nhiễu lớn Sự mất cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và công suất nguồn phát gây

ra bởi một nhiễu lớn, chẳng hạn như một sự cố ngắn mạch, sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm tốc độ của rotor máy phát điện tuân theo các phương trình biểu diễn năng lượng cơ - điện cơ bản

Điều này là cũng có thể xem là sự mất cân bằng giữa năng lượng cơ đầu vào và công suất điện đầu ra của máy phát điện Nếu một máy phát điện quay nhanh hơn sau một nhiễu, chênh lệch góc rotor tương đối (relative angular difference) của nó so với các máy phát điện quay chậm hơn sẽ tăng dần, từ đó chuyển dịch một số phụ tải từ một vài máy phát quay chậm hơn sang các máy phát quay nhanh hơn dựa trên các mối quan hệ công suất – góc Điều này sẽ làm chậm các máy phát quay nhanh và gây suy giảm chênh lệch góc rotor tương đối, đưa hệ thống dần trở về ổn định Tuy nhiên, nếu sự chênh lệch góc rotor tương đối quá lớn, năng lượng chuyển tải trong hệ thống cũng sẽ giảm theo, hệ quả là độ lệch góc tương đối tăng trở lại, dẫn đến mất đồng bộ giữa các máy phát điện hoặc các nhóm máy phát điện

Rối loạn hệ thống điện gây ra những thay đổi của moment điện từ trong máy điện đồng bộ Moment điện từ này bao gồm hai thành phần: thành phần moment đồng bộ (synchronising torque), cùng pha với độ lệch góc rotor, và thành phần moment cản (damping torque), cùng pha với độ lệch tốc độ rotor Thiếu thành phần moment đồng bộ sẽ gây ra mất ổn định không tuần hoàn,

dẫn đến mất đồng bộ giữa các máy phát Mặt khác, thiếu thành phần moment cản sẽ gây ra sự bất ổn dao động [13]

Nói cách khác, ổn định động hệ thống là khả năng của một hệ thống điện duy trì tính đồng bộ sau một xáo trộn, hay nhiễu lớn Ổn định động hệ thống phụ thuộc vào trạng thái cân bằng ban đầu của hệ thống lẫn các rối loạn [12] Vấn đề cần đặt ra là tiêu chuẩn thích hợp để đánh giá ổn định động hệ thống Các chỉ số khác nhau đã được sử dụng để định lượng biên độ ổn định động của hệ thống Góc rotor tương đối cực đại và năng lượng hệ thống là hai trong các tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến nhất để hình thành các chỉ tiêu đánh giá, phân tích ổn định động

Về phương pháp, phân tích ổn định động được thực hiện bằng rất nhiều phương pháp Các phương pháp thường được phân loại thành các nhóm chính như: phương pháp mô phỏng kỹ thuật số, phương pháp phỏng đoán (heuristic)… [14]

Phương pháp phỏng đoán (heuristic) hay còn gọi là phương pháp chuyên gia sử dụng các khái niệm về trí thông minh nhân tạo Trong phương pháp này, kiến thức kỹ thuật được mã hóa thành các bộ quy tắc trong một chương trình Chương trình này sau đó hình thành hai lõi: cơ sở dữ liệu và các quy tắc Quy mô các nghiên cứu càng lớn thì yêu cầu càng nhiều các điểm vận hành của hệ thống và các rối loạn, nhiễu về điện nhằm hình thành cơ sở dữ liệu đạt yêu cầu [15]

Các mạng neural nhân tạo (ANNs – Artificial Neural Networks) và nhận dạng mẫu cũng đã được sử dụng để phân tích ổn định động, và được phân loại

là phương pháp đào tạo hệ thống Trong phương pháp này, các bộ đào tạo được hình thành dựa trên các nghiên cứu không trực tuyến để hình thành mô

hình vector Sau đó, việc phân loại là cần thiết để thiết kế cho lần sử dụng tiếp theo trong việc đưa ra quyết định trực tuyến [16]

Nhóm phương pháp mô phỏng kỹ thuật số bao gồm tích hợp từng bước (phương pháp mô phỏng trên miền thời gian) và phương pháp dựa trên hàm năng lượng Nhóm phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi so với các nhóm phương pháp khác kể trên Luận văn này tập trung vào phương pháp

mô phỏng trên miền thời gian để xây dựng thuật toán, phương pháp này được xem xét chi tiết như sau:

Phương pháp mô phỏng trên miền thời gian:

Đây là phương pháp kinh điển trong phân tích ổn định động hệ thống điện Các hệ thống năng lượng nói chung có thể được mô hình hóa bằng cách

sử dụng một tập hợp các phương trình đại số và vi phân (như đã trình bày chi tiết tại Chương 2 của Luận văn này)

Mô hình động phù hợp để phân tích ổn định động của một hệ thống điện nhiều máy là mô hình bao gồm các máy phát điện đồng bộ, bộ điều khiển kích

từ máy phát, hệ thống điều tốc turbine máy phát, phụ tải và các thiết bị FACTS Tập hợp các phương trình vi phân dựa trên các mô hình động trên có thể được thể hiện theo hình thức rút gọn sau đây:

: phép vi phân theo thời gian

f : hàm vector phi tuyến rút ra từ các mô hình động;

y : vector của các biến trạng thái, bao gồm góc rotor máy phát, tốc độ rotor, từ thông rotor, và cả những biến trạng thái của bộ điều khiển kích từ, hệ thống điều tốc turbine máy phát, tải và thiết bị FACTS;

x : vector của biến không phải trạng thái, đại diện cho điện áp nút mạng

Bên cạnh các phương trình vi phân trên còn có các phương trình dòng công suất cho tất cả các nút trong hệ thống, được thể hiện theo biểu thức đại

số sau đây:

Trong đó, hàm vector phi tuyến g(x,y) bao gồm các phương trình dòng

công suất cho tất cả các nút trừ nút cân bằng (slack node) trong hệ thống điện Khi nghiên cứu đáp ứng động của hệ thống, người ta sẽ giải hệ các phương trình vi phân và hệ các phương trình đại số Phương pháp này được gọi là phương pháp mô phỏng ổn định quá độ trong miền thời gian Để giải hệ phương trình trên, trước hết người ta xấp xỉ phương trình vi phân thành phương trình đại số bằng cách áp dụng luật hình thang (trapezoidal rule):

Quá trình thiết lập các ràng buộc ổn định động dựa trên phương pháp phân tích độ nhạy của kết quả mô phỏng trên miền thời gian Đây là một phương pháp mới, nhanh, hiệu quả và phù hợp cho công tác điều độ kinh tế, khi mà các ràng buộc ổn định động của hệ thống điện được xem xét bên cạnh các ràng buộc về an ninh tĩnh

Phương pháp mới này phát triển một cách thức để tính toán giá điện nút khi có xét đến ràng buộc ổn định động, đồng thời các yếu tố đầu vào tham chiếu đến các thiết bị FACTS cũng được tối ưu hóa để tăng cường ổn định hệ thống và giảm giá điện nút Phương pháp này dựa trên phân tích độ nhạy của kết quả mô phỏng ổn định động trên miền thời gian, từ đó rút ra một tập hợp của các ràng buộc ổn định động được tuyến tính hóa Các ràng buộc này đại diện cho công suất tác dụng máy phát điện và các tham số đầu vào của thiết bị FACTS Tiếp theo, các ràng buộc ổn định động được đưa vào vòng lặp tính toán Phân bố tối ưu công suất (OPF – Optimal Power Flow), từ đó hình thành kết quả điều độ trực tuyến kinh tế và giá điện nút trong hệ thống

Phương pháp này giải quyết những thiếu sót đã được xác định trong các phương pháp công bố trước đây, bằng cách sử dụng mô phỏng ổn định động trên miền thời gian nhưng không đưa vào trong vòng lặp OPF Các kết quả của mô phỏng ổn định động trên miền thời gian được thực hiện trực tuyến và bên ngoài vòng lặp OPF và được sử dụng trong phân tích độ nhạy để rút ra tập hợp các ràng buộc ổn định động Mô hình hệ thống điện dùng trong phân tích là một mô hình chi tiết bao gồm cả các thiết bị FACTS Phân tích độ nhạy dựa trên các nhiễu nhỏ và liên tiếp của các biến điều khiển trong vòng lặp OPF (công suất tác dụng các máy phát điện và tham số đầu vào thiết bị FACTS)

Từ kết quả mô phỏng ổn định động đối với một nhiễu rút ra được một tập hợp các các mối quan hệ tuyến tính giữa các biến điều khiển và các giá trị góc rotor tương đối cực đại Giới hạn góc rotor tương đối cực đại được quy định trong các tiêu chí ổn định động kết hợp với các mối quan hệ tuyến tính hóa nêu trên dẫn đến một tập hợp các ràng buộc ổn định động Đối với một nhiễu nhất định, số lượng các ràng buộc bằng với số lượng các máy phát trừ

đi 1, và độc lập với số bước thời gian tính toán trong quá trình mô phỏng Tập hợp các biểu thức ổn định động trong mỗi bước tính riêng biệt, rút ra từ các phương trình vi phân đại số (DEAs), không yêu cầu phải đưa vào vòng lặp OPF, đây chính là bước phát triển của phương pháp mới này so với các phương pháp công bố trước đây

Có bốn ưu điểm quan trọng của phương pháp mới được đề xuất Đầu tiên

là các mô phỏng ổn định động trên miền thời gian được thực hiện bên ngoài vòng lặp OPF Và khi các ràng buộc ổn định chỉ được thể hiện qua quan hệ giữa các biến điều khiển OPF, số lượng của các biến điều khiển OPF vẫn giữ nguyên như trong vòng lặp OPF tiêu chuẩn không xét đến các ràng buộc ổn định động Đây là ưu điểm quan trọng thứ hai Ưu điểm thứ ba liên quan đến việc thực hiện tính toán song song của phương pháp, khi đó các mô phỏng ổn định động riêng biệt dùng để rút ra các ràng buộc có thể được thực hiện độc lập bởi các máy tính hoặc bộ vi xử lý riêng biệt Cuối cùng, khi các ràng buộc được xây dựng trực tuyến bằng cách sử dụng cấu hình và điều kiện vận hành

hệ thống thực tế, phương pháp này vốn rất phù hợp với bất kỳ mọi điều kiện vận hành của hệ thống

Bằng cách thực hiện phân bố công suất tối ưu lặp đi lặp lại với các ràng buộc ổn định được tuyến tính hóa và cập nhật theo các kết quả phân bố công suất tối ưu gần nhất, độ chính xác của phương pháp đề xuất là rất cao Tùy thuộc vào mức độ vi phạm các ràng buộc ổn định động, giới hạn ổn định tạm

thời tương ứng với mỗi hình thức nhiễu và mỗi máy phát điện được điều chỉnh trong mỗi lần lặp OPF sao cho kết quả hội tụ của OPF là không bị suy giảm tính bền vững do việc thực thi các ràng buộc ổn định động

Ổn định động hệ thống điện, liên quan đến một nhiễu loạn giả thiết nào

đó, phụ thuộc vào các điều kiện vận hành trước khi xảy ra nhiễu Các biến điều khiển quan trọng ảnh hưởng đến điều kiện vận hành này và luôn luôn được miêu tả trong tính toán điều độ Các biến này bao gồm công suất tác dụng máy phát và cài đặt ban đầu hoặc tham số đầu vào của các thiết bị

FACTS Trên cơ sở đó, vector điều khiển u sử dụng trong công tác điều độ

trực tuyến được định nghĩa như sau:

uT =  ( 1 ) , ( 2 ) , , ( ) , ( 1 ) , ( 2 ) , , ( )

F

N gen gen

Trong đó:

P gen(i) là công suất tác dụng của máy phát thứ i, i = 1, 2,…, N g

x ref (i) là giá trị đặt đầu vào của thiết bị FACTS thứ i, i = 1, 2,…, N F

Trình tự phân tích độ nhạy của góc rotor theo các biến điều khiển:

Góc rotor tương đối cực đại phụ thuộc vào các biến điều khiển nhưng sự phụ thuộc này là phi tuyến, và gần như không thể xây dựng hàm giải tích biểu diễn mối quan hệ giữa góc rotor tương đối và các biến điều khiển Tuy nhiên, bằng mô phỏng trên miền thời gian có thể tính toán độ nhạy của góc rotor tương đối theo biến điều khiển Các độ nhạy này sẽ đưa đến tập các quan hệ tuyến tính giữa góc rotor tương đối cực đại của các máy phát và biến điều khiển