Giải tích hệ thống điện phân phối hình tia có sự tham gia của các thiết bị facts

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu thuật toán phân bố công suất dựa trên cở sở dòng công suất trên các nhánh Line Flow Based để khảo sát bài toán phân bố công suất cho mạng phân phối hình

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

PHAN CHÂU NAM

GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI HÌNH TIA VỚI SỰ THAM GIA CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS

Chuyên ngành : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS-HỒ VĂN HIẾN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,

ngày tháng năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN CHÂU NAM Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 02-03-1983 Nơi sinh: Bình Dương Chuyên ngành : Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện MSHV: 01807287

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI: GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI HÌNH TIA VỚI SỰ THAM GIA CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu thuật toán phân bố công suất dựa trên cở

sở dòng công suất trên các nhánh (Line Flow Based) để khảo sát bài toán phân bố công suất cho mạng phân phối hình tia khi có và không có sự tham gia của các thiết

bị FACTS, dùng phương pháp cổ điển Newton Raphson để kiểm tra kết quả thực hiện

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-01-2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 25-06-2009

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS HỒ VĂN HIẾN

MỤC LỤC

GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI HÌNH TIA VỚI SỰ

THAM GIA CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan 1

1.2 Tóm tắt mộ số tài liệu và bài báo liên quan 2

1.3 Nhận xét chung và hướng tiếp cận 5

1.4 Nguyên nhân dùng thuật toán Line Flow Based (LFB) 6

1.5 Mục tiêu của đề tài 6

1.6 Điểm mới của đề tài 6

1.7 Kết quả thực tế đạt được 7

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS 2.1 Tổng quan 8

2.2 Các thiết bị FACTS sử dụng Thyristor 9

2.2.1 Thiết bị bù tĩnh SVC 10

2.2.2 Thiết bị bù dọc TCSC 12

2.2.3 Thiết bị bù đồng bộ STATCOM 15

2.2.4 Bộ điều khiển công suất vạn năng UPFC 17

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN

PHỐI HÌNH TIA

3.1 Giới thiệu 20

3.2 Mô hình hoá các phần tử trong lưới điện 21

3.2.1 Đường dây dài đồng nhất 21

3.2.2 Sơ đồ tương đương đường dây dài 23

3.2.3 Sơ đồ tương đương đường dây trung bình 25

3.2.4 Thông số A, B, C, D 26

3.2.5 Các dạng tổng trở và tổng dẫn 26

CHƯƠNG 4: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 4.1 Giới thiệu 28

4.2 Phương trình đại số tuyến tính 28

4.2.1 Phương pháp Gauss Seidel 28

4.2.2 Phương pháp Newton raphson 29

4.3 Phân bố công suất trong mạng điện 31

4.3.1 Thiết lập công thức giải tích 31

4.3.2 Các phương pháp giải quyết bài toán trào lưu công suất 32

4.3.3 Độ lệch và tiêu chuẩn hội tụ 33

4.3.4 Phương pháp Gauss Seidel sử dụng Ynut 34

4.3.5 Phương pháp Gauss Seidel sử dụng Znut 40

4.3.5 Phương pháp Newton Raphson 44

4.4 Tính tổn thất điện năng của lưới điện 47

4.4.1 Tổng quan 47

4.4.2 Tổn thất điện áp 47

4.4.3 Tổn thất công suất 52

CHƯƠNG 5: GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI HÌNH

TIA VỚI SỰ THAM GIA CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS

5.1 Giới thiệu 60

5.2 Tổng quan về mô hình phân bố công suất dùng thuật toán LFB 60

5.2.1 Phương trình cân bằng công suất 60 5.2.2 Phương trình cân bằng điện áp nút 61

5.3 Giải bài toán phân bố công suất dùng thuật toán LFB 64

5.3.1 Khi không có các thiết bị FACTS 64

5.3.2 Khi có sự tham gia của thiết bị TCSC 64

5.3.3 Khi có sự tham gia của thiết bị SVC 65

5.4 Áp dụng bài toán phân bố công suất dùng thuật toán LFB vào HTĐ mẫu 69

5.4.1 PBCS khi không có các thiết bị FACTS 69

5.4.2 PBCS khi có sự tham gia của thiết bị TCSC 79

5.4.3 PBCS khi có sự tham gia của thiết bị SVC 86

5.5 Nhận xét 94

CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT RIỂN CỦA ĐỂ TÀI 6.1 Tổng kết 95

6.1.1 Tóm tắt 95

6.1.2 Đánh giá 96

6.2 Hướng phát triển của đề tài 97

6.3 Lời kết 97

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

áp cao và siêu cao làm xuất hiện một lượng công suất phản kháng lớn do bản thân đường dây sinh ra trong quá trình vận hành, điều này đã gây ảnh hưởng ít nhiều đến các chế độ làm việc của máy phát, thay đổi phân bố công suất và điện áp trong các HTĐ Mặt khác,

do tính chất tiêu thụ điện ở các khu vực trong từng thời điểm khác nhau cho nên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải cũng liên tục thay đổi theo thời gian đều này cho thấy tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác non tải và ngược lại

Để khắc phục những nhược điểm nêu trên nhằm quản lý các hệ thống điện một cách hiệu quả, đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng, người ta sử dụng các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt hay còn gọi là các thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission System)

Những thiết bị FACTS này có một vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng công suất nhánh và nâng cao độ biến dạng điện áp của mạng điện Những thiết bị mới này có thể làm tăng độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống truyền tải và phân phối Chúng cho thấy sự hoạt động linh hoạt và điều khiển tốt hơn Những phương pháp giải tích phân

bố công suất được sử dụng để khảo sát độ linh hoạt của chúng thường là phương pháp Newton Raphson và Fast Decoupled

Mặt khác, hiện nay lưới điện phân phối Việt Nam vận hành dưới dạng hình tia và việc nâng cao chất lượng điện năng trong truyền tải thông thường bằng cách lắp đặt các

bộ tụ bù hay các thiết bị điều áp (AVR), việc tính toán phân bố công suất chủ yếu dung các phương pháp Newton-Raphson, Gauss Seidel

Mục đích chính của đề tài là khảo sát lưới điện phân phối hình tia với sự tham gia của các thiết bị FACTs đóng vai trò là những thiết bụ bù trên lưới điện như TCSC hay

SVC Phương pháp phân bố công suất được sử dụng trong đề tài là phân bố dòng trên nhánh LFB (Line Flow Based), nó sẽ cho ta thấy những ưu điểm trong việc khảo sát lưới điện khi có sự có mặy của các thiết bị FACTs (TCSC hay SVC) thông qua việc xác định các biến điều khiển

1.2 TÓM TẮT MỘT SỐ TÀI LIỆU VÀ BÀI BÁO LIÊN QUAN :

1.2.1 Hệ thống điện truyền tải và phân phối (Hồ Văn Hiến, NXB ĐHQG TP.HCM, 2005)

Sách cung cấp cho ta một số kiến thức cơ bản về hệ thống điện, đặc biệt phục vụ cho đề tài này là bài toán phân bố công suất dùng phương pháp Newton Raphson

1.2.2 Luận văn Thạc sĩ, ứng dụng quy hoạch genetic cho phân bố tối ưu công suất lưới điện có facts, Ngô Hoàng Tuấn, 07/2008)

Luận văn đề cập đến việc ứng dụng giải thuật quy hoạch genetic vào tính toán tối

ưu công suất phát các nhà máy điện và phân bố tối ưu công suất trong lưới điện với hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí

1.2.3 A New Approach to Security-Constrained Optimal Power Flow Analysis (Ping Yan, Student Member, IEEE, and Arun Sekar, Senior Member, IEEE)

Bài báo trình bày một phương pháp tối ưu về thời gian trong bài toán giải tích hệ thống điện dựa vào dòng phân bố trên các nhánh (Line flow based, LFB), phương pháp này có thời gian hội tụ ngắn hơn và dễ dàng sử dụng hơn phương pháp Newton Raphson

và Gauss Seidel

1.2.4 Steady-state analysis of power system having multiple FACTS devices using line-flow-based equations (P Yan and A Sekar, IEEE Proc.-Gener Transm Distrib., Vol 152, No 1, January 2005)

Bài báo trình bày phương pháp giải tích hệ thống điện áp dụng cho mạng truyền tải khi có sự tham gia của các thiết bị FACTs dựa vào sự phân bố dòng trên các nhánh (Line Flow Based) Phương pháp giải bài toán hoàn toàn thực hiện trên các phép toán ma trận kết hợp với thuật toán giải theo chiều tiến và chiều thoái Thế mạnh của phương pháp Line Flow Based (LFB) là bài toán hội tụ rất nhanh, khoảng 2 đến 3 vòng lặp là hội

tụ, mặt khác việc khảo sát các thiết bị FACTs rất dễ dàng khi dùng thuật toán LFB bằng cách điều khiển điện kháng trên nhánh và điện áp nút

1.2.5 Analysis of Radial Distribution Systems With Embedded Series FACTS Devices Using a Fast Line Flow-Based Algorithm (Ping Yan, Member, IEEE, and Arun Sekar, Senior Member, IEEE)

Nội dung của bài báo này là hoàn thiện phương trình cân bằng công suất bằng phương pháp phân bố công suất dựa trên cở sở phân bố công suất trên các nhánh (Line Flow Based hay LFB) trong việc giải tích mạng phân phối hình tia, trong đó các thiết bị FACTS được mắc nối tiếp và song song để nâng cao hiệu suất Phương trình LFB dùng

độ lớn điện áp nút, giá trị phân bố công suất nhánh và các ma trận hệ số tuyến tính 1.2.6 Optimal TCSC Placement Based on Line Flow Equations via Mixed-Integer Linear Programming (Guang Ya Yang, Geir Hovland, Rajat Majumder and Zhao Yang Dong, School of Information Technology & Electrical Engineering, The University of Queensland, St Lucia, Brisbane QLD 4072, Australia)

Bài báo này trình bày giải thuật LFB để khảo sát thiết bị TCSC trên lưới điện truyền tải, hay nói khác hơn là tính toán phân bố công suất trên các nhánh của mạng điện

và điều khiển điện áp sau nhánh đặt thiết bị TCSC

1.2.7 A Network-Topology-based Three-Phase Load Flow for Distribution Systems (Jen-Hao Teng, Department of Electrical Engineering I-Shou University, Kaohsiung, Taiwan, R.O.C, December 17, 1999):

Bài báo trình bày một phương pháp phân bố công suất mới cho mạng điện phân phối, phương pháp này cho ta một giải thuật tính toán các thông số của mạng điện dựa vào hai ma trận, ma trận thứ nhất là ma trận liên thuộc dòng bơm vào nút và ma trận thứ hai là dòng trên nhánh, ma trận liên thuộc dòng nhánh đến điện áp nút và việc tính toán chỉ là các phương pháp xử lý trên ma trận Điều này có nghĩa là việc tính toán chỉ áp dụng các thuật toán trân ma trận nên việc tính toán sẽ đơn giản rất nhiều so với phương pháp cổ điển Newton Raphson và Gauss Seidel

1.2.8 A Simplified Approach for Load Flow Analysis of Radial Distribution Network (K Vinoth Kumar, M.P Selvan)

Bài báo này trình bày một phương pháp khác để thực hiện bài toán giải tích hệ thống điện phân phối hình tia thay cho phương pháp Newton Raphson và Gauss Seidel Thuật toán trong bài báo là sử dụng phương pháp giải theo chiều tiến và chiều thoái trực tiếp trên các nhánh rẽ cũng như là trên trục chính của mạng phân phối hình tia Dòng điện được tính theo chiều thoái bắt đầu từ nút cuối nhánh tính ngược về phía nguồn Trên

cơ sở dòng nhánh tính theo chiều thoái, ta tính các điện áp tại các nút theo chiều tiến bắt đầu từ nút gần nguồn đến nút cuối cùng của các nhánh Hạn chế của bài báo này là chỉ áp dụng đối với mạng điện phân phối 3 pha cân bằng

1.2.9 An algorithm for radial distribution power flow in Complex mode including voltage controlled buses (RM Saloman Danaraj , Shankarappa F Kodad , and Tulsi Ram Das; Aurora’s Technological Research Institute, Andhra Pradesh; Aurora’s Engineering College, Bhongir, Andhra Pradesh; JNT University, Hyderabad, Andhra Pradesh, India)

Bài báo này trình bày trình bày một thuật toán hiệu quả để giải quyết bài toán phân bố công suất cho mạng phân phối hình tia Mối quan hệ giữa công suất nhánh và công suất nút được rút ra từ ma trận vuông không suy biến hay ma trận liên thuộc Biểu thức phân bố công suất được viết lại dựa vào các điều kiện của biến mới bằng phương trình đệ quy tuyến tính Những phương trình tuyến tính được giải để xác định điện áp nút

và dòng điện trên nhánh

Ưu điểm của phương pháp này là không cần những điều kiện ban đầu và dể dàng lập trình bởi vì tất cả các phương trình được biểu diển dưới dạng ma trận Phương pháp này có thể được ứng dụng để điều khiển điện áp nút cho mạng phân phối

1.2.6 Optimal active power flow incorporating power flow control needs inflexible

AC transmission systems (Ge, S.Y Chung, T.S Dept of Electr.Eng., Hong Kong Polytech Kowloon; Power Systems, IEEE Transactions on, May 1999,Volume: 14, Issue: 2738-744)

Bài báo trình bày phương pháp giải bài toán phân bố công suất và phân bố tối ưu công suất tác dụng trong lưới điện có FACTS bao gổm 3 loại thiết bị TCSC, TCPS, UPFC Kết quả nghiên cứu đã cho thấy có thể giải bài toán phân bố tối ưu công suất tác dụng bằng cách giải lặp kết hợp với kỹ thuật tính phân bố công suất thông thường vào mạng điện IEEE 30 nút

1.2.7 Advanced SVC models for Newton-Raphson load flow and Newton optimalpower flow studies Ambriz-Perez, H Acha, E Fuerte-Esquivel, C.R Dept

of Electron & Electr Eng., Glasgow Univ Power Systems, IEEE Transactions

on, Feb 2000 Volume: 15, Issue: 1, 129-136

Bài báo trình bày mô hình SVC trong bài toán phân bố công suất dùng phương pháp Newton-Raphson và bài toán phân bố tối ưu công suất dùng phương pháp Newton Nghiên cứu đưa ra 2 mô hình SVC là mô hình dẫn nạp song song và mô hình góc kích với biến trạng thái là độ lớn và góc pha điện áp Kết quả cho thấy tính hội tụ mạnh của cả

2 giải thuật khả năng áp dụng vào mạng điện lớn và có nhiều thiết bị FACTS

1.2.8 Optimal reactive power dispatch considering FACTS devices (Preedavichit, P Srivastava, S.C Electr Power Syst Manage., Asian Inst of Technol.; Advances in Power System Control, Operation and Management, 1997 APSCOM-97 Fourth International Conference on (Conf Publ No 450),11-14 Nov 1997, Volume: 2, 620-

625 vol.2)

Bài báo đề cập đến việc đưa thiết bị FACTS (được xem như là một thông số điều khiển) vào mạng điện thông thường để giải bài toán tối ưu công suất phản kháng nhằm cực tiểu tổn thất Thiết bị FACTS đề cập bao gồm: SVC, TCSC, TCPAR và áp dụng vào mạng điện ThaiLand

1.3 NHẬN XÉT CHUNG VÀ HƯỚNG TIẾP CẬN

Qua các bài báo trên cho thấy việc ứng dụng tính toán luồng công suất dùng phương pháp Newton Raphson cho tốc độ hội tụ tương đối nhanh tuy nhiên kết quả hội

tụ lại không tối ưu bằng phương pháp phân bố công suất dựa trên cở sở dòng công suất trên các nhánh (LFB) Một số nghiên cứu áp dụng giải thuật LFB nhưng chủ yếu là bài toán phân bố công suất cho mạng truyền tải và việc khảo sát các thiết bị FACTS chủ yếu

là TCSC Các bài báo trình bày không rõ ràng, chưa trình bày một cách cụ thể việc áp dụng giải thuật

Một số bài báo trình bày phương pháp phân bố công suất mới cho mạng phân phối hình tia thay cho phương pháp Newton Raphson hay Gauss Seidel nhưng chưa trình bày được sự ảnh hưởng của lưới điện khi có sự tham gia của các thiết bị FACTS

Ở trong nước cũng đã có một số nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của các thiết

bị FACTS trên lưới điện (chủ yếu là mạng truyền tải) và tính toán phân bố tối ưu công suất trong hệ thống điện, phương pháp sử dụng phổ biến là Newton Raphson và chỉ khảo sát trên mạng truyền tải, chưa có bài báo hay luận văn nào trình bày phương pháp phân

bố công suất LFB cho mạng điện và khảo sát sự ảnh hưởng của các thiết bị FACTS Với những lý do trên trong luận văn này chúng tôi xin được trình bày: Giải tích

hệ thống điện hình tia có thiết bị FACTS dùng thuật toán phân bố công suất dựa trên cơ sở dòng công suất trên các nhánh (Line Flow Based, LFB)

1.4 NGUYÊN NHÂN DÙNG THUẬT TOÁN LFB TRONG LUẬN VĂN

Bài toán phân bố công suất áp dụng trong hệ thống điện luôn được quan tâm và thường xuyên áp dụng trong thực tế, thời gian đáp ứng và phương pháp thực hiện rất quan trong Trong thời gian qua, bài toán phân bố công suất được sử dụng ở Việt Nam chủ yếu dựa vào phương pháp Newton Raphson và Gaus Seidel

Phương pháp Line Flow Based (LFB) có những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp truyền thống khác:

- Việc thành lập bài toán cũng như cách giải bài toán phân bố công suất rất đơn giản và dễ hơn rất nhiều so với phương pháp Newton Raphson cũng như là Gauss Seidel

- Thời gian hội tụ rất ngắn, chỉ hội tụ sau 1 đến 2 vòng lặp

- Dễ dàng khảo sát sự ảnh hưởng của các thiết bị FACTS trên lưới điện

1.5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu giải thuật Newton – Raphson

- Nghiên cứu giải thuật Line Flow Based (LFB)

- Giải bài toán phân bố công suất trong lưới điện trước khi và sau khi có FACTS (TCSC và SVC) dùng giải thuật LFB, dùng phương pháp Newton Raphson để kiểm tra kết quả thực hiện

- Áp dụng thực tế cho mạng lưới mẫu IEEE 69 nút

- Hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế với độ chính xác cao

1.6 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Trong các bài báo và luận văn trong nước của những tác giả trước đây chủ yếu nghiên cứu về những lĩnh vực sau: phân bố tối ưu công suất các nhà máy điện, phân bố tối ưu công suất thực, công suất phản kháng áp dụng giải thuật di truyền, mạng neural nhân tạo, logic mờ, nhưng chủ yếu áp dụng trên mạng truyền tải, việc thành lập bài toán cũng như phương pháp hết sức phức tạp với nhiều vòng lặp Khác với các luận văn trước đây, luận văn này có những điểm mới sau: dùng giải thuật LFB để giải bài toán phân

bố công suất cho mạng phân phối hình tia có sự tham gia của các thiết bị FACTS, cụ thể là TCSC và SVC

- Với bài toán phân bố công suất lưới điện có FACTS dùng thuật toán LFB cho kết quả hội tụ như tài liệu [2]

cố hệ thống điện có thể được thực hiện bằng cách cải thiện điện áp, tăng cường khả năng truyền tải và một số việc làm khác Một số giải pháp đã được đưa ra để giải quyết vấn đề này và chúng đòi hỏi số vốn đầu tư khá lớn và khó có thể thu hồi nhanh chóng Các thiết bị hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là một giải pháp khác cũng hướng tới các vấn đề ở trên

FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt được sử dụng nhằm mục đích truyền tải điện năng một cách hiệu quả và tin cậy Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS được dùng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của hệ thống đường dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS mang lại những lợi ích cho hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các mạng lưới truyền tải hiện có, tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải, tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới, tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng điện năng cao, đồng thời chúng cũng có các lợi ích về môi trường khác.Trong chương này chúng tôi đề cập đến khái niệm

và ứng dụng phổ biến nhất của các thiết bị FACTS cũng như nêu ra các lợi ích của chúng đồng thời cũng đưa ra mô hình của chúng áp dụng vào bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện

Việc ứng dụng các thiết bị FACTS vào trong hệ thống điện đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng một cách hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện, giảm các dao động hệ thống và giảm

tổn thất điện năng Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế giới với rất nhiều chủng loại tương ứng với các thông số điều khiển trong hệ thống điện.Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc mục đích điều khiển, hiện trạng liên kết lưới điện cũng như các chi phí đầu tư xây dựng và lợi ích về kinh tế

mà các thiết bị FACTS mang lại

Nhu cầu về quản lý hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới trong công nghệ sản xuất và truyền tải điện năng Nhà máy điện chu trình hỗn hợp là một trong các công nghệ cho sự phát triển mới trong lĩnh vực sản xuất điện cũng tương tự như vậy hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS là những thiết bị mới nhằm cải thiện hệ thống truyền tải Như đã nêu trên, các thiết bị FACTS dùng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của hệ thống đường dây xoay chiều cao

áp Một số thiết bị FACTS chủ yếu :

2.1.1 Trong lĩnh vực truyền tải cao áp các thiết bị FACTS phổ biến nhất là:

• STATCOM (The Static Synchronous Compensator): Hệ thống bù đồng bộ tĩnh

• UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển luồng công suất hợp nhất

• SVC (Static VAR Compensator) : bộ bù công suất VAR tĩnh

• TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): Thiết bị bù dọc sử dụng thyristor

2.1.2 Trong lĩnh vực cung cấp điện các thiết bị FACTS thường được dùng là:

• Distribution STATCOM: Bộ STATCOM phân phối

• Dynamic Voltage Restorer: Bộ khôi phục điện áp động

• Actives Filter: Bộ lọc tích cực

Trong phạm vi hạn chế, đề tài chỉ đề cập một số thiết bị FACTS sử dụng cho

hệ thống điện phân phối, cụ thể là chúng tôi chỉ khảo sát sự ảnh hưởng của thiết bị TCSC và SVC

2.2 Các thiết bị FACTS sử dụng Thyristor

Các thiết bị điện tử công suất dùng thyristor đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền tải công suất từ đầu những năm 1970 (Arrillagar, 1998) Ứng dụng đầu tiên của chúng là trong lĩnh vực truyền tải điện một chiều điện áp cao,bù ngang sử dụng các điện kháng và điện dung điều khiển tức thời Gần đây các thiết

bị bù dọc tác động nhanh sử dụng thyristor đã được sử dụng để làm thay đổi độ dài điện của các đường dây truyền tải điện chủ chốt Các thiết bị này đã thay thế cho các thiết bị bù dọc cổ điển vốn được điều khiển bằng cơ Ở phạm vi ứng dụng trong hệ thống phân phối điện, các bộ chuyển mạch bán dẫn sử dụng thyristor được sử dụng để làm tăng độ tin cậy cung cấp cho các tải khách hàng quan trọng Trong phần này chúng tôi xin được giới thiệu 4 thiết bị điều khiển thông dụng sử dụng thyristor là : SVC, TCSC, STATCOM, UPFC

Sơ đồ kết nối của SVC với lưới điện như hình sau:

Mô hình toán học tương đương rút gọn của dãy tụ trên SVC như sau:

C

C C

C

C C C

C C

C

C C C

C C

C

C C

C

C C C

C C C

C C

Cc Cb Ca

V V V

B

B B

j B

B B j B

B B j

B

B B j B

B B

j B

B B j

B

B B j B

B B j B

B B

j

I I I

) (

) (

) (

2 3 3

3 2 3

1

2 3

2 2 2

2 1

1 3 1

2

2 1 1

(2.1)

3 2

2 2

1 1

C B

C B

C B

C C C

ω ω ω

C C

C

C C

C

C C

C

Cc Cb Ca

V V V

B j jB jB

jB B

j jB

jB jB

B j

I I I

2 2

2 3

2)(

)(

)(

)(

2)(

)(

)(

)(

2

31

TCR C TCR

C TCR

C

TCR C TCR

C TCR

C

TCR C TCR

C TCR

C

TCRc TCRc TCRa

Cc Cb Ca

SVCc

SVCb

SVCa

BBjB

BjB

Bj

BBjB

BjB

Bj

BBjB

BjB

Bj

III

III

tự thuận:

) 1 ( )

C SVC

X X X X B

kháng do tụ bù dọc sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện QC = 3I2XC) Khi tải tăng cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn, nhưng lúc này điện áp thanh cái vẫn không bị sụt giảm mạnh do xuất hiện lượng công suất phản kháng của tụ bù dọc tỉ

lệ thuận với bình phương dòng điện

TCSC là thiết bị được cải tiến từ các tụ bụ dọc truyền thống bằng cách thêm một bộ phận phản ứng được điều khiển bằng Thyristor Đặt một bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù dọc thay đổi liên tục và nhanh chóng Những lợi ích chủ yếu của TCSC là tăng công suất truyền tải, giảm các dao động công suất, giảm các cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất đường dây TCSC cũng tăng tính ổn định của hệ thống và đã chứng thực rất hiệu quả trong việc ngăn chặn các dao động hệ thống Nói cách khác, sự đáp ứng ổn định của TCSC có thể được tính toán bằng cách giải các phương trình khác nhau mô tả trạng thái dẫn điện của nó thông qua việc sử dụng phương pháp tích phân số học thích hợp Các phương trình khác nhau của TCSC được biểu diễn ở dạng đại số và sau đó dùng một phương pháp pha (phasor) để giải Phương pháp trên đòi hỏi tính tích phân các đẳng thức khác nhau nhiều lần cho đến khi kết quả ở bước tính có thể chấp nhận được Ngoài ra có 2 phương pháp có được từ phương pháp pha Phương pháp thứ nhất: trạng thái vận hành ổn định của TCSC có thể được tính toán bằng cách dùng phương pháp pha tần số cơ bản và họa tần (Acha và Madrigal,2001) Phương pháp này cung cấp đầy đủ các thông số TCSC ở tần số cơ bản và họa tần nhưng không có các thông số quá độ Phương pháp thứ hai: Tìm ra biểu thức tổng trở phi tuyến tương đương TCSC và tổng trở này tính được bằng cách giải lặp (Fuerte - Esquival, Acha, and Ambriz- Pérez, 2000a) Phương pháp giải này cho kết quả chính xác và hội tụ rất nhanh, nhưng nó chỉ áp dụng ở trạng thái ổn định với tần số cơ bản của lưới điện

Mạch tương đương TCSC:

Bộ TCSC về cơ bản gồm một TCR mắc nối tiếp với một tụ điện cố định Trong một bộ TCSC thực tế có thể bao gồm một hay nhiều module TCSC

Bộ TCR khi đạt được trạng thái vận hành tại tần số cơ bản sẽ tiêu thụ các dòng hài là nhờ vào chức năng góc kích của thyristor Do đó, trái ngược với thiết

bị SVC ở chỗ là các dòng hài được tạo ra bởi các TCR của SVC có khuynh hướng

đi về phía hệ thống thì trong TCSC, các dòng hài tạo bởi bộ TCR sẽ bị giữ lại bên trong bộ TCSC do tụ điện song song có tổng trở thấp hơn so với tổng trở tương đương của hệ thống, đây chính là trường hợp vận hành của bộ TCSC được thiết kế chuẩn vận hành ở chế độ dung Việc đo đạc được dẫn ra từ hệ thống TSCS tại thành phố Slatt và Kayenta đã cho ta rút ra nhận định trên (Christl et al., 1992) Ví

dụ, hệ thống tại Kayenta phát ra độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) là 1,5% khi

nó vận hành ở chế độ dung với góc kích là 147° Cũng lưu ý là người ta không khuyến khích vận hành thiết bị TCSC ở chế độ kháng vì điều này sẽ làm tăng độ dài điện của đường dây truyền tải được bù, gây ra hậu quả xấu ở cận ổn định và tăng tổn thất Với mục đích nghiên cứu hệ thống điện ở tần số cơ bản, bộ TCSC hoàn chỉnh được đưa ra dưới đây bao gồm một bộ TCR mắc song song với một tụ điện tương đương

Cấu trúc cơ bản của TCSC như hình sau:

dao cách ly

biến trở tụ nối tiếp

cuộn kháng bộ khoá thyristor cuộn kháng

Hình 2.1 Cấu trúc vật lý của TCSC

Như đã nêu ở trên ta sẽ sử dụng phương pháp mô hình hoá TCSC như là một tổng trở nối tiếp được mắc trên đường dây truyền tải có gắn thiết bị này Ta thấy trong mạch điện thay thế của bộ TCSC có một điện kháng tương đương, tương ứng là một hàm theo tín hiệu kích thyristor TCSC sử dụng trong hệ thống truyền tải được mô hình hoá bằng một tổng dẫn nối tiếp làm giảm đi giá trị điện kháng trên đường dây Chính tác dụng này đã làm cho TCSC có khả năng làm cho việc truyền tải công suất trở nên hiệu quả hơn Dưới đây là mạch tương đương của đường dây có dùng bộ TCSC:

Công suất tác dụng trên đường dây truyền tải có dùng thiết bị TCSC :

δ sin

2 1 C

L X X

U U P

−

Công suất truyền tải cực đại:

C L

gh

X X

U U P

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của TCSC

Hình 2.3: Sơ đồ biểu diển TCSC

Hình bên trái là trường hợp không dùng TCSC và hình bên phải có dùng TCSC Ta nhận thấy khi (XL – XC) giảm thì các đường đặc tính công suất P(δ) khi xảy ra sự cố (2) và sau sự cố (3) sẽ được nâng cao hơn Khi 2 đường đặc tính này được nâng cao lên thì diện tích tăng tốc A1 giảm xuống và diện tích tăng tốc A2 tăng lên như vậy độ dự trữ ổn định động cũng tăng lên

Tụ bù nối tiếp còn có khả năng bù lại sự giảm áp do điện cảm nối tiếp trên đường dây truyền tải gây ra Khi tải nhỏ, tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ và tại thời điểm này điện áp bù nối tiếp do tụ bù dọc sinh ra cũng nhỏ (vì công suất phản kháng do tụ bù dọc sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện QC = 3I2XC) Khi tải tăng cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn, nhưng lúc này điện áp thanh cái vẫn không bị sụt giảm mạnh do xuất hiện lượng công suất phản kháng của tụ bù dọc tỉ

lệ thuận với bình phương dòng điện

2.2.3 Thiết bị bù đồng bộ STATCOM:

STATCOM Là thiết bị điều khiển giống với SVC nhưng dựa trên GTO (thyristor kiểu cực cổng đóng Gate Turn-Off) So với SVC thông thường thì STATCOM không yêu cầu các thành phần dung kháng và cảm kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp, như vậy yêu cầu về diện tích lắp đặt cũng nhỏ hơn Một lợi thế khác là đầu ra STATCOM phản ứng tốt

Hình 2.4: Đường đặc tính ổn định P theo δ

hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi mà STATCOM được xem như một nguồn độc lập với điện áp hệ thống STATCOM bao gồm một bộ biến đổi nguồn áp VSC và một máy biến áp được kết nối song song kết hợp Là thiết bị có chức năng tương đương như một máy bù đồng bộ tĩnh nhưng nó có thể phát ra hay thu về công suất phản kháng ở mức độ cao và nhanh hơn Nói chung nó thực hiện chức năng điều chỉnh điện áp giống như SVC nhưng ở cách thức mạnh hơn vì

không giống như SVC, sự vận hành của nó không bị ảnh hưởng bởi điện áp thấp

Ở hình vẽ trên mạch tương đương STATCOM tương ứng với biến đổi tương đương Thévenin khi nhìn từ thanh cái k với nguồn áp EvR ở tần số cơ bản hợp thành điện áp ngõ ra của VSC, là kết quả từ tích số của VDC và ma Khi nghiên cứu STATCOM ở trạng thái vận hành ổn định với tần số cơ bản, STATCOM được

mô tả giống như một máy bù đồng bộ, trong đa số trường hợp là mô hình máy phát đồng bộ nhưng không phát ra công suất tác dụng Một mô hình khác thích hợp hơn khi mô tả STATCOM là xem như nó như một nguồn áp thay đổi EvR mà độ lớn

và góc pha của nó có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng một thuật toán lặp phù hợp để xác định được độ lớn điện áp tại điểm kết nối với hệ thống AC Nguồn

áp song song của thiết bị STATCOM 3 pha có thể mô tả như sau:

Hình 2.5: Bộ bù tĩnh (STATCOM): bộ biến đổi nguồn áp được kết nối

tới hệ thống AC qua một máy biến áp song song, hình bên dưới là

nguồn áp song song tương đương

) sin

δvR có thể nhận bất cứ giá trị nào từ 0 đến 2π radians

Từ hình vẽ mạch tương đương của STATCOM và các tham số 3 pha ta rút

ra được các đẳng thức như sau:

k

E

V Y Y

b k

b k

a k

a k

b k

b k

a k

a k

b vRk

b vRk

a vRk

a vRk

b vRk

a vRk vR

Y Y

Y Y

0 0

0 0

0 0

(2.15)

2.2.4 Bộ điều khiển công suất vạn năng UPFC

UPFC là một thiết bị FACTS mạnh nhất và linh hoạt nhất do khả năng điều chỉnh của nó đối với các thành phần tổng dẫn đường dây, điện áp nút và góc pha điện áp Một phần kết nối như một thiết bị STATCOM; và được nối mạch rẽ với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải qua mạch DC của nó tạo thành UPFC Thiết bị này giống như một máy biến áp dịch pha nhưng được gắn một điện áp nối tiếp có góc pha yêu cầu thay vì một điện áp có góc pha cố định UPFC kết hợp ưu điểm của STATCOM và TCSC Nó gồm hai bộ VSC kết nối với một

bộ tụ dùng chung cho 2 bộ trong mạch DC tạo thành một hệ thống điều khiển hợp nhất UPFC cho phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòng công suất phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái kết nối

Bộ biến đổi nối tiếp đòi hỏi công suất tác dụng được rút về bởi bộ biến đổi song song từ hệ thống AC cung cấp cho thanh cái m thông qua mạch kết nối DC Điện áp ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp được thêm vào điện áp nút EvR hay nói cách khác là từ thanh cái k để tăng áp tại thanh cái m Điện áp ngõ ra VcR để điều chỉnh điện áp, còn góc pha δcR xác định loại công suất Nó còn đóng vai trò cung cấp công suất thực trao đổi giữa bộ biến đổi nối tiếp và hệ thống điện AC, bộ biến đổi song song có thể phát ra hay thu vào công suất phản kháng để cung cấp độ lớn điện áp độc lập tại thanh cái kết nối với hệ thống AC

Từ mạch tương đương của UPFC ở trên hình ta thấy nó bao gồm nguồn áp được kết nối song song, một nguồn áp được nối nối tiếp và một phương trình ràng buộc công suất tác dụng liên kết 2 nguồn áp Hai nguồn áp được kết nối với hệ

Hình 2.6: Hệ thống UPFC: 2 bộ biến đổi nguồn áp back to back, một bộ VSC nối với hệ thống AC sử dụng một máy biến

áp kết nối song song và bộ còn lại sử dụng máy biến áp kết nối

nối tiếp Mô hình mạch điện tương đương

thống AC thông qua các điện kháng biểu diễn của bộ biến đổi VSC Trong một thiết bị UPFC 3 pha các biểu thức thích hợp cho hai nguồn áp và đẳng thức bắt buộc là:

) sin

Trong đó: ρ chỉ các pha A, B, C

Tương tự như các nguồn áp nối tiếp và song song được sử dụng mô tả thiết

bị STATCOM và SSSC, các nguồn áp được sử dụng trong khi kết nối UPFC cũng

cR cR

cR

cR cR

cR vR

cR m

k

E E V V

Y Y

Y

Y Y

Y Y

Y I

I

0

) (

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI HÌNH TIA

3.1 GIỚI THIỆU:

Đặc điểm chính của hệ thống lưới phân phối là cung cấp điện trực tiếp đến người

sử dụng Trong công cuộc phát triển đất nước hiện nay, việc cung cấp điện năng là một trong những ngành quan tâm hàng đầu của Chính Phủ nói chung và của các Tỉnh Thành nói riêng Vì vậy để đảm bảo chất lượng điện năng thì việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống lưới điện phân phối là hết sức quan trọng

Hệ thống phân phối điện năng được xây dựng và lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ

Lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35KV phân phối điện cho các trạm phân phối trung hạ áp, lưới hạ áp 220/380V cấp điện cho các phụ tải hạ áp

Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ ít gây ra mất điện nhất Bằng các biện pháp cụ thể như có thể có nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế như máy phát …

Lưới điện phân phối vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện trong tương lai

Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp Độ biến thiên điện áp cho phép là ± 5% Uđm

Đảm bảo chi phí duy tu, bảo dưỡng là nhỏ nhất

Các loại sơ đồ hệ thống lưới phân phối: hệ thống điện phân phối có thể được phân loại thành các dạng như sau:

+ Mạng điện sơ cấp và thứ cấp hình tia

+ Mạng điện thứ cấp với dây phát tuyến hình tia

Những hệ thống này theo thứ tự tăng dần theo chi phí đầu tư, tính linh hoạt và độ tin cậy trong vận hành Do đó, chúng thường được dùng trong những vùng mà mật độ

phụ tải tăng dần theo thứ tự nêu trên Quan trong hơn hết trong các mạng trên đó là mạng điện phân phối hình tia (thường dùng trong các vùng nông thôn, thành phố hay ngoại ô)

và hệ thống mạng thứ cấp (thường dùng cho các khu vực thương mại ở những thành phố lớn)

3.2 MÔ HÌNH HÓA CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

3.2.1 Đường dây dài đồng nhất

Đường dây dài đồng nhất là đường dây có điện trở, điện kháng, dung kháng, điện dẫn rò phân bố đều dọc theo chiều dài đường dây, có thể tính theo từng pha và theo đơn

vị dài Trong thực tế điện dẫn rò rất nhỏ có thể bỏ qua Chúng ta chỉ quan tâm đến quan

hệ giữa điện áp và dòng điện giữa hai đầu đường dây, một đầu cấp và một đầu nhận Khoảng cách tính từ đầu cấp đến đầu nhận

Để tính toán và xem xét mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên từng điểm của đường dây ta có mô hình toán học như sau: (xem hình 3.1) Tại tọa độ x lấy vi phân

dx trên mỗi pha so với trung tính và khảo sát phân tố dx

Với phân tố dx này ta có thể viết:

dxzI

Với z : Tổng trở nối tiếp của mỗi pha trên mỗi đơn vị dài

Y : Tổng dẫn rẽ nhánh của mỗi pha trên mỗi đơn vị dài

Lấy vi phân bậc 2 của (3.1) và (3.2) theo x ta có:

Hình 3.1 : Quan hệ điện áp và dòng điện ở phân tố

dài của đường dây truyền tải

x = 1 Đầu cấp

x = 0 Đầu nhận

dIzdx

Vd

Id

Vd

Id

)

1 zy x A zy x A

Thay (3.7) vào đạo hàm bậc nhất (3.1) ta có dòng điện

).exp(

1).exp(

1

2

yzxzyA

yz

=

γ : Gọi là hằng số truyền sóng Vậy (3.9) và (3.10) được viết gọn như sau:

).exp(

2

.)

.exp(

2

.)

V = R + R c γ + R − R c −γ (3.11)

2)

.exp(

2)

IZ

Vx

IZ

VxI

R c

R R

) exp(

2 )

V = R γ + − γ + R c γ − − γ (3.13)

) ( ) ( ch x I Z sh x

=

Tương tự (3.12)

) ( )

( )

Z

V x ch I x I

chV

VS = R γ + R C γ (3.15)

).(.)

Z

VxchII

C

R R

3.2.2 Sơ đồ tương đương đường dây dài (l > 240):

Sử dụng công thức (3.15) và (3.16) để lập sơ đồ tương đương của đường dây dài như hình 3.2 (gọi là sơ đồ hình π)

Từ sơ đồ hình 3.2 ta có:

R R

R R R

2) ( I V Yπ V Yπ

).(.sh lZ

π π

( 1 + Zπ Yπ) = ch ( γ l ) (3.22) Vậy:

)2

.(

1).(

1)

thZlshZ

lchY

C C

γ γ

lshlyZ

).(

).(

γ

γ γ

γ

2/

)2/.(.2

.2

/

)2/.(.2/

l

lthlyl

lthZ

lyY

γ γ

γ

Sử dụng sơ đồ hình (3.3) và khai triển sh và ch ta có thể tính Yπvà Zπđến độ chính xác cần thiết Thông thường trong sơ đồ nối tiếp chỉ cần lấy 2 hay 3 phần tử là đạt yêu cầu chính xác:

!5

!3)

(

5 3

++++

xSh

!4

!21)(

4 2

++++

17

15

23)

3

++

−+

−

xTh

Nếu chỉ lấy hai số hàng đầu

≈

6

).(1

2

ll

2

.12

.2

.3

112

3.2.3 Sơ đồ tương đương của đường dây trung bình:

Gồm các đường dây có γ.l << 1 gọi là đường dây trung bình (240km)

ZZ

Zπ = 1= (tổng các tổng trở nối tiếp)

22

.l Yy

Yπ = = (nửa của tổng dẫn rẽ)

Sơ đồ thu được theo giả thiết gọi là sơ đồ đối xứng π (hình 3.4) và còn có một sơ

đồ thể hiện khác nửa gọi là sơ đồ đối xứng T (hình 3.5)

Tính toán tương tự như sơ đồ π ta có (sơ đồ T)

2

)2.(.2

2

lthlzZZ

Hình 3.3 : Sơ đồ π của mạng tuyền tải

Và

l

lshly

YT

).( γ

γ

=

Với sơ đồ đối xứng T (y.l << 1) có thể rút gọn như hình 3.6

Hai sơ đồ tương xứng này có độ chính xác như nhau nhưng thông thường hay

dùng sơ đồ p vì không phải tính thêm nữa

Trong trường hợp đường dây khá ngắn (l < 80km) có thể bỏ qua tổng dẫn mạch rẽ

ở cả hai sơ đồ p và T và thu gọn chỉ còn một tổng dẫn nối tiếp Z (hình 3.7)

3.2.4 Thông số A, B, C, D:

Các thông số A, B, C, D được sử dụng để thiết lập các phương trình quan hệ giữa điện áp

và dòng điện ở đầu cung cấp và đầu nhận của đường dây truyền tải

Bảng 3.1 : Tham số A, B, C, D cho từng loại sơ đồ

- Đường dây dài

24

2

1 ) (

2 2

+

+ +

= Z Y

Z Y l

ch γ

240

6

1 ( ) (

2 2

+

+ +

= Z Y

Z Y Z l sh

ZC γ

120

6

1 ( ) (

2 2

+

+ +

= Z Y

Z Y Y Z l sh

C

γ

A l

1 Y Z

1 Y ZY

S AV BI

Hình 3.6 : Sơ đồ đối xứng T Hình 3.7 : Sơ đồ tương

đương của đường dây tuyền

tải ngắn

R R

S CV DI

Bảng 3.1 cho giá trị A, B, C, D của từng loại đường dây truyền tải Đường dây dài, đường dây trung bình và đường dây ngắn, các thông số này có đặc tính quan trọng là:

S

I

VDC

BAI

V

Phương trình 3.29 được viết lại theo biến IS và IR sử dụng kết quả:

A.D - B.C = 1 Như sau:

SR SS R

S

I

IZZ

ZZV

V

CZ

CZ

CA

SR SS R

S

V

VYY

YYI

CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 4.1 GIỚI THIỆU:

Chúng ta biết rằng có ba phương pháp tính phân bố công suất thường được sử dụng là: phương pháp Newton-Raphson, phương pháp Gauss-Seidel và phương pháp phân lập nhanh Mỗi phương pháp có những đặc tính hội tụ khác nhau, thường thì ta chọn phương pháp có khả năng thực hiện tốt nhất Việc lựa chọn phương pháp tính nào còn tuỳ thuộc vào cấu hình hệ thống, máy phát, đặc tính tải và mức điện áp tại ban đầu tại các nút

Trong chương này, chúng ta trình bày một số kiến thức cơ sở về phương pháp giải bài toán phân bố công suất như phương trình đại số phi tuyến, sau đó là bài toán phân

bố công suất trong lưới điện

Bài toán phân bố công suất trên lưới điện thường dùng phương trình liên lạc giữa điện áp nút và dòng nút thông qua ma trận tổng dẫn nút, từ dòng nút chúng ta tìm được điện áp nút Tuy vậy, trong lưới điện thường cho công suất hơn là dòng điện Như vậy, phương trình liên quan là phương trình phi tuyến và là phương trình phân bố công suất được giải bằng phương pháp lặp

4.2 PHƯƠNG TRÌNH ĐẠI SỐ PHI TUYẾN

4.2.1 Phương pháp Gauss – Seidel

Từ phương trình f(x) = 0 ta suy ra x = g(x)

Như vậy quan hệ giữa lần lặp thứ k và k+1 là ( k 1 ) ( ( k ))

xg

)

k k

xx

gx

Nếu có n phương trình với n ẩn số:

1 2

1

1 ( x , x , , x ) c

f n = ⇒ x1= c1+ g1( x1, x2, , xn)

2 2

1

2(x,x , ,x ) c

f n = ⇒x2=c2+g2(x1,x2, ,xn)

n n

) 0 ( ) 0 ( 2 ) 0 ( 1

⇒

n

x x

x

x x

( ) 1

i k

i k

k

xx

x

Ví dụ: Cho f ( x ) = x 3 − 6 x 2 + 9 x − 4 = 0

) ( 9

4 9

6 9

x g x

x

x(0) = 2 x(1) = g(2) = 2.2222 x(2)=(2.2222)= 2.5173 x(3) = 2.8966

x(4) = 3.3376 x(5) = 3.7398 x(6) = 3.9568 x(7) = 3.9988 x(8)=4.0000 4.2.2 Phương pháp Newton – Raphson

Cho phương trình f(x) = c, ta xây dựng được như sau:

) (

) ( )

( ) 1

k

k k

k

dxdf

xfcxx

=

+

và đại lượng ( )

) ( ) (

k k

dx df

x f c

Nếu có n phương trình với n ẩn số:

n n

c x x x f

c x x x f

c x x x f

) , , , (

) , , , (

) , , , (

2 1

2 2

1 2

1 2

1 1

Suy ra (k 1) (k) (k)

xx

) (

) (

) ( 2

) ( 1 ) (

k

k n

k k

k

J c x

x x

) ( 2 2

) ( 1 1 ) (

) (

) (

) (

k n n

k k k

f c

f c

f c c

( 2

) ( 1

) ( 2 )

(

2 2 ) (

1 2

) ( 1 )

( 2 1 ) ( 1 1

) (

n k

n

k

n

k k

k

n

k k

k

x

f x

f x

f

x

f x

f x

f

x

f x

f x

45 9 6 12 6

3 2

) 0 (

= +

1111 1 45

4 6 9 6 6 6 0 6

2 3 )

4431 13 8889 4

) 1 ( ) 1 ( ) 2

x

0405 4 5797 12

9981 2 2789 4

) 2 ( ) 2 ( ) 3

x

0011 4 4919 9

3748 0 0405 4

) 3 ( ) 3 ( ) 4

x

000 4 0126 9

0095 0 0011 4

) 4 ( ) 4 ( ) 5

x

4.3 PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN

4.3.1 Thiết lập công thức giải tích:

Giả sử mạng truyền tải là mạng 3 pha đối xứng và được biểu diễn bằng mạng nối tiếp dương như trên hình 4.1a Các phần tử của mạng được liên kết với nhau nên ma trận tổng dẫn nút Ynut có thể xác định từ sơ đồ

Theo sơ đồ 4.1a ta có:

Nut Nut Nut Y V

nut

Y là một ma trận thưa và đối xứng Tại các cổng của mạng có các nguồn công suất hay điện áp Chính các nguồn này tại các cổng làm cho áp và dòng liên hệ phi tuyến với nhau theo (4.1) chúng ta có thể xác định được công suất tác dụng và phản kháng bơm vào mạng (quy ước công suất dương khi có chiều bơm vào mạng) dưới dạng hàm phi tuyến của Vp và Ip Ta có thể hình dung nguồn công suất bơm vào mạng nối ngang qua cổng tại đầu dương của nguồn bơm như hình 4.1b

Phân loại các nút:

- Nút P -Q là nút mà công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q là cố định, như nút P ở 4.1 chẳng hạn

) (

) (

LP SP GP SP

LP SP GP SP p SP p p

SP LP SP GP SP p p

SP p p p

- Nút V-q (nút hệ thống) rõ ràng ở nút này điện áp và góc pha là không đổi Việc đưa ra khái niệm nút hệ thống là cần thiết vì tổn thất I2R trong hệ thống là không xác định trước được nên không thể cố định công suất tác dụng ở tất cả các nút Nhìn chung nút hệ thống có nguồn công suất lớn nhất Do đó người ta đưa ra nút điều khiển điện áp nói chung là nó có công suất phát lớn nhất Ở nút này công suất tác dụng PS (S ký hiệu nút hệ thống) là không cố định và được tính toán cuối cùng Vì chúng ta cũng cần một pha làm chuẩn trong hệ thống, góc pha của nút hệ thống được chọn làm chuẩn thường ở mức zero radian Điện áp phức V cố định còn PS và QS được xác định sau khi giải xong trào lưu công suất ở các nút

4.3.2 Các phương pháp giải quyết bài toán trào lưu công suất:

Theo lý thuyết thì có hai phương pháp tồn tại đó là phương pháp sử dụng ma trận

là hạn chế chính của phương pháp này

Trong chương này chúng ta chỉ giới thiệu nguyên lý của các phương pháp, còn các phép toán đặc biệt như: ma trận, sắp xếp tối ưu phép khử, không được đề cập đến

4.3.3 Độ lệch và tiêu chuẩn hội tụ

Phép giải trào lưu công suất được coi là chính xác khi thỏa mãn điều kiện từ (4.2) đến (4.4) mà chủ yếu là phải đảm bảo chính xác (4.4), hai tiêu chuẩn hội tụ phổ biến là:

- Mức độ công suất tính toán ở nút nào đó theo Vp và Ip ở bên trái đẳng thức (4.2) đến (4.4) phù hợp tương ứng với giá trị cho sẵn ở bên phải Sự sai khác này gọi là

độ lệch công suất nút

- Độ lệch điện áp nút giữa 2 vòng lặp kế tiếp nhau

Sau đây ta xét từng tiêu chuẩn cụ thể:

+ Tiêu chuẩn độ lệch công suất nút:

Từ (4.1) và (4.2) ta có

* 1

=

−+

q p pq

pq pq

pq

p p p p p

BjGY

VfjeV

θθθ

=

Với từng nút P -V hay P - Q

- Dạng tọa độ vuông góc:

)]

.((

).Re[(

1

q q n

q

pq pq p

p SP

q pq p

SP p

) Im[(

1

q q n

q

pq pq p

p SP