Mô phỏng và phân tích hiệu quả của một số thiết bị điều khiển dòng công suất trong lưới điện

Mô phỏng và phân tích hiệu quả của một số thiết bị điều khiển dòng công suất trong lưới điện Mô phỏng và phân tích hiệu quả của một số thiết bị điều khiển dòng công suất trong lưới điện Mô phỏng và phân tích hiệu quả của một số thiết bị điều khiển dòng công suất trong lưới điện luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

ĐINH PHẠM TÀI LINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH

HO ẠT (FACTS)

1.1 Gi ới thiệu chung:

Sự phát triển nhanh chóng trong nhu cầu sử dụng điện, cùng với nhu cầu giảm chi phí năng lượng dẫn đến việc xây dựng và phát triển các nguồn phát ở xa trung tâm phụ

tải lớn Do đó cần thiết phải xây dựng hệ thống truyền tải điện để đưa điện từ nguồn phát đến trung tâm phụ tải Hơn nữa, để tăng cường độ tin cậy của hệ thống, các đường dây truyền tải cần có độ dự trữ cao, có thể liên kết hệ thống điện các miền, các khu vực

mới để khai thác triệt để các khả năng của hệ thống điện hiện có Để đáp ứng nhu cầu này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission Systems) đã được tiến hành vào cuối năm 1980

nhằm giải quyết 2 vấn đề chính là nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền

tải và giữ công suất trong khoảng giới hạn đã định trước Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép điều khiển bù công suất phản kháng

nghệ FACTS là duy nhất có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công

suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điều khiển khác nhau và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công

suất Để điều khiển công suất một cách có hiệu quả trong hệ thống điện, cần xem xét đến các yếu tố giới hạn khả năng truyền tải và xác định rõ lợi ích đạt được khi áp dụng các thiết bị điều khiển FACTS

1.2 M ối quan hệ các thông số điều khiển trên đường dây truyền

a Hệ thống 2 máy đơn giản

b Đồ thị vector khi dòng điện vuông góc với điện áp đường dây

c Đồ thị vector dòng công suất tác dụng và phản kháng

d Đường cong công suất P với góc lệch δ trong các trường hợp X khác nhau

e Điều chỉnh biên độ điện áp làm thay đổi công suất phản kháng

f Điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện đường dây làm thay đổi công suất tác dụng

g Nguồn điện áp bơm vào dọc đường dây

Nút 1 và 2 là thanh cái của các trạm biến áp lớn hoặc được nối với các nguồn, để đơn giản giả thiết là các nút có công suất vô cùng lớn Hai nút được nối với nhau thông qua một đường dây truyền tải chỉ có điện kháng X (bỏ qua điện trở và dung dẫn của đường dây)

E1 và E2 là biên độ của điện áp tại các nút tương ứng và góc lệch là δ

EL là véc tơ điện áp giáng trên điện kháng X của đường dây

Biên độ dòng điện trên đường dây nhận được theo công thức

X

E

I = L và lệch với EL

góc 900

Dòng điện chạy trên đường dây có thể được điều khiển bằng việc điều khiển EL

hoặc X hoặc δ Nếu góc lệch điện áp giữa hai nút nhỏ, dòng điện gần như đặc trưng cho dòng công suất tác dụng Việc tăng hoặc giảm điện kháng của đường dây có hiệu quả

lớn đối với việc điều khiển dòng công suất tác dụng Bởi vậy xét về chi phí thì điều khiển điện kháng, mà thực chất là điều khiển dòng điện là cách điều khiển dòng công

suất hiệu quả nhất Có thể sử dụng các cuộn kháng có điều khiển để điều khiển công

suất truyền tải và/ hoặc điều khiển góc lệch để nâng cao tính ổn định của hệ thống Hình 1.1b và 1.1c chỉ ra mối quan hệ theo đồ thị véc tơ giữa các dòng điện tác dụng

và phản kháng cùng với mối liên hệ với điện áp tại hai điểm nút

Giả thiết rằng, E1 và E2 là cường độ điện trường bên trong của 2 nguồn quy đổi mô

tả 2 hệ thống và điện kháng X bao gồm cả điện kháng bên trong của 2 nguồn Khi đó ta có:

Thành phần tác dụng của dòng điện tại nút 1 là:

Ip1 = (E2sin δ)/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 1 là:

Iq1 = (E1- E2cosδ)/X

Bởi vậy công suất tác dụng tại đầu nút 1 là:

P1 = E1(E2sin δ)/X Công suất phản kháng tại đầu nút 1 là:

Q1 = E1(E1- E2cosδ)/X (1.1)

Tương tự thành phần tác dụng của dòng điện tại nút 2 là:

Ip2 = (E1sin δ)/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 2 là:

Iq2 = (E2- E1cosδ)/X

Bởi vậy công suất tác dụng tại đầu nút 2 là:

P2 = E2(E1sin δ)/X Công suất phản kháng tại đầu nút 2 là:

Hình 1.1d cho thấy công suất tác dụng tăng tới cực đại khi góc δ tăng tới 900 Sau

đó công suất giảm tương ứng với góc δ tăng và công suất giảm đến 0 khi δ = 1800 Nếu không điều khiển với tốc độ cao các thông số như E1, E2, E1-E2, X và δ, đường dây truyền tải chỉ có thể được sử dụng tốt với góc dưới 900 Việc tăng và giảm X sẽ làm tăng và giảm độ cao của đặc tính công suất tác dụng theo góc lệch δ Đối với dòng công suất truyền tải, sự thay đổi X sẽ tương ứng với sự thay đổi góc lệch giữa điện áp hai điểm đầu và cuối của đường dây truyền tải

Công suất (dòng điện) có thể cũng được điều khiển bởi việc điều chỉnh điện áp E1

hoặc E2 như trên hình 1.1e Tuy nhiên với sự thay đổi của E1 thì hiệu điện áp E1-E2

không thay đổi nhiều còn góc pha của nó thì thay đổi đáng kể Điều đó có nghĩa rằng,

việc thay đổi điện áp E1 hoặc E2 có ảnh hưởng nhiều đến công suất phản kháng hơn là công suất tác dụng

Dòng điện và cả công suất cũng có thể thay đổi bởi nguồn điện áp dọc đường dây

Như trên hình 1.1f khi véc tơ điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện (mà nó gần

như trùng với véc tơ hiệu điện áp), nó trực tiếp ảnh hưởng đến giá trị hiệu dụng của véc

tơ dòng điện Với góc lệch điện áp nhỏ, nó ảnh hưởng lớn tới công suất tác dụng

Điện áp dọc được bơm vào có thể là một véc tơ trùng về biên độ và góc pha với điện áp đường dây (hình 1.1g) Ta có thể thấy rằng với sự thay đổi biên độ và góc pha

của nguồn điện áp nối tiếp thì cả thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện cũng bị ảnh hưởng Phương pháp sử dụng nguồn áp có ứng dụng quan trọng trong các thiết bị điều khiển FACTS

Với phân tích ở trên hình 1.1 ta có thể thấy một vài điểm cơ bản của các thông số liên quan đến khả năng điều khiển dòng công suất:

• Có thể điều khiển điện kháng đường dây X (ví dụ dùng tụ bù dọc có điều khiển

bằng thyristor) để điều khiển dòng điện một cách hiệu quả

• Khi góc lệch điện áp giữa hai nút không lớn (thông thường ở các đường dây truyền tải) thì việc điều khiển điện kháng X dùng để điều khiển dòng công suất tác

dụng truyền tải trên đường dây

• Điều khiển góc lệch điện áp δ (ví dụ thiết bị điều chỉnh góc pha) là công cụ hữu ích để điều khiển dòng điện và cả dòng công suất tác dụng trong trường hợp góc lệch điện áp giữa hai nút không lớn

• Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và vuông góc với véc tơ dòng điện có thể làm tăng hoặc giảm biên độ dòng điện Đây là một phương pháp hữu ích trong việc điều khiển dòng điện đường dây và cả công suất tác dụng khi góc lệch điện áp không

lớn

• Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và cùng góc lệch với véc tơ điện áp nút có

thể điều khiển được biên độ và góc của véc tơ dòng điện chạy trên đường dây Điều đó cho thấy rằng việc bơm một véc tơ điện áp cùng với góc lệch thay đổi có thể đưa ra

một phương pháp hữu ích để điều khiển chính xác công suất tác dụng và phản kháng Điều đó yêu cầu nguồn bơm cả công suất tác dụng và phản kháng

• Khi góc lệch điện áp không lớn, điều khiển biên độ của một trong các điện áp nút (ví dụ thiết bị điều chỉnh điện áp điều khiển bằng thyristor) có thể là phương pháp

hiệu quả về kinh tế trong việc điều khiển dòng công suất phản kháng qua đường dây truyền tải

• Tổ hợp điều chỉnh điện kháng đường dây với một thiết bị điều khiển dọc và điều

chỉnh điện áp với một thiết bị điều chỉnh ngang cũng có thể đưa ra một phương pháp

hiệu quả để điều khiển cả dòng công suất tác dụng và phản kháng truyền tải giữa hai hệ

thống

Các kết luận quan trọng nêu trên chính là cơ sở trong việc nghiên cứu chế tạo các

loại thiết bị điều khiển FACTS khác nhau Mức độ ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến công suất truyền tải trong HTĐ rất khác nhau Nhìn nhận và đánh giá đúng

mối liên hệ giữa chúng cho ta thấy rõ tác dụng của các thiết bị điều khiển và ứng dụng chúng trong việc nâng cao khả năng truyền tải công suất trong HTĐ

1.3 Các thi ết bị điều khiển FACTS cơ bản:

H ệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là h ệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều kết hợp với các thiết bị điện tử công su ất hoặc các thiết bị điều khiển tĩnh khác để tăng cường khả năng điều khiển và

tăng khả năng truyền tải công suất

Nói chung, các thiết bị điều khiển FACTS có thể chia ra làm 4 loại sau:

- Thiết bị điều khiển dọc (nối tiếp)

- Thiết bị điều khiển ngang (song song)

- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp

- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-song song

1.3.1 Thiết bị điều khiển nối tiếp (hình 1.2):

Thiết bị điều khiển nối tiếp có thể là 1 điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng điện, hoặc 1 nguồn có thể thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công

suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp đưa vào 1 điện áp nối tiếp

với đường dây Với điều kiện là điện áp vuông pha với dòng điện, thiết bị điều khiển

nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

Hình 1.2: Bộ điều khiển nối tiếp

1.3.2 Thiết bị điều khiển song song (hình 1.3):

Giống như trường hợp thiết bị điều khiển dọc, thiết bị điều khiển song song có

thể là 1 điện kháng, 1 nguồn có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết hợp các thiết bị này

Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển song song đưa thêm vào đường dây 1 nguồn dòng tại điểm mà nó nối vào Giống như thiết bị điều khiển nối tiếp, với điều

kiện là dòng điện vuông pha với điện áp pha, thiết bị điều khiển song song cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

ộ điều khiển song song

1.3.3 Các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- nối tiếp (hình 1.4):

Có thể là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp riêng lẻ, được điều khiển

phối hợp trong hệ thống nhiều đường dây truyền tải Hoặc nó cũng có thể là một bộ điều khiển khối, trong đó bộ điều khiển nối tiếp bù công suất phản kháng nối tiếp độc

lập cho mỗi đường dây nhưng cũng truyền công suất tác dụng giữa các đường dây qua đường truyền công suất Khả năng truyền công suất tác dụng của bộ điều khiển

nối tiếp-nối tiếp khối, làm cho nó có khả năng cân bằng cả công suất phản kháng lẫn tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóa khả năng sử dụng của đường dây

Cụm từ “kết hợp” (unified) ở đây nghĩa là các đầu dc của tất cả các bộ chuyển đổi

của bộ điều khiển đều được nối với nhau để truyền tải công suất tác dụng

Hình 1.4: Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

1.3.4 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- song song (hình 1.5):

Là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp và song song, được điều khiển theo

1 cách thức phối hợp Về nguyên lý, bộ điều khiển kết hợp nối tiếp song song đưa dòng điện vào hệ thống nhờ phần tử song song của bộ điều khiển, tuy nhiên khi các

bộ điều khiển nối tiếp và song song được kết hợp, sẽ có sự trao đổi công suất tác

dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và song song thông qua đường dẫn công suất

Hình 1.5: Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp- song song

1.4 Các l ợi ích và ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS:

Mỗi loại thiết bị FACTS có chức năng và mang lại các hiệu quả khác nhau, nhưng các lợi ích cơ bản mà các thiết bị bù có điều khiển mang lại như sau:

- Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu

- Tăng khả năng tải của đường dây tới khả năng chịu nhiệt của nó, kể cả ngắn hạn

hoặc theo mùa Điều này có thể thực hiện được bằng cách vượt qua các giới hạn khác,

và phân chia công suất giữa các đường dây theo khả năng tải của chúng Cũng cần chú

ý rằng khả năng chịu nhiệt của đường dây thay đổi trong khoảng rộng tùy thuộc vào điều kiện môi trường và lịch sử mang tải

- Nâng cao độ an toàn của hệ thống nhờ việc tăng giới hạn ổn định quá độ, hạn

chế dòng ngắn mạch và quá tải, giảm bớt số lần mất điện và cản dao động điện cơ của

hệ thống điện và thiết bị, động cơ

- Tạo mối quan hệ chặt chẽ hơn giữa các công ty và các vùng lân cận vì thế giảm yêu cầu ngược về phát điện tổng cho cả 2 phía

- Tạo ra khả năng linh hoạt hơn cho việc đặt thêm các nhà máy mới

- Nâng cấp đường dây

- Giảm dòng công suất phản kháng, do đó cho phép đường dây mang được công

suất tác dụng lớn hơn

- Tăng khả năng sử dụng cho nhà máy có chi phí phát thấp nhất

Các lợi ích này có sự xếp chồng lên nhau Trong thực tế, mỗi loại thiết bị FACTS sẽ mang 1 hoặc 2 chức năng chính trên

Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có đặc điểm chung là nâng cao độ tin cậy trong vận hành HTĐ Tuy nhiên mỗi loại có sự khác biệt Tùy theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể như yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào

lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây, tùy vào

chế độ vận hành mà ta lựa chọn các thiết bị một cách hợp lý

Sau đây là bảng tổng kết so sánh các chức năng của một số thiết bị FACTS

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả điều khiển của một số thiết bị FACTS

Thiết bị

FACTS

Điều khiển trào

lưu công suất

Điều khiển điện áp

Ổn định quá độ

Ổn định động

Chống dao động công suất

- Các ứng dụng trạng thái xác lập và trạng thái động của FACTS:

Bảng 1.2 mô tả các ứng dụng trạng thái tĩnh tập trung vào các vấn đề về giới hạn điện áp, giới hạn nhiệt, tránh các dòng công suất vòng, mức ngắn mạch và cộng hưởng đồng bộ

Bảng 1.3 mô tả các ứng dụng động trong việc giải quyết các vấn đề về ổn định quá

độ, ổn định và điều khiển điện áp sau sự cố ngẫu nhiên Trong các tình huống sự cố lớn

có thể gây mất ổn định động thì cần đến các thiết bị FACTS Các giải pháp truyền

thống thường rẻ hơn so với thiết bị FACTS nhưng bị giới hạn trong các ứng dụng ổn định động

Bảng 1.2: Các ứng dụng trạng thái xác lập của FACTS

V ấn đề Nguyên nhân Gi ải pháp

ph ục hồi Gi ải pháp truyền thống Thi FACTS ết bị

Các giới

hạn điện

áp

Điện áp thấp ở mức phụ tải cao

Cung cấp công suất phản kháng Tụ rẽ nhánh, tụ nối tiếp SVC,TCSC STATCOM

Điện áp cao ở mức phụ tải thấp

Cung c ấp công suất phản kháng Đóng cắt đường dây EHV và/hoặc tụ rẽ nhánh SVC,TCSC STATCOM Hấp thụ công suất

phản kháng thiết bị phản kháng rẽ nhánh Chuyển mạch tụ mạch rẽ, SVC,TCSC STATCOM

V ấn đề Nguyên nhân Gi ải pháp

ph ục hồi Gi ải pháp truyền thống Thi FACTS ết bị

Điện áp cao kéo theo mất điện

H ấp thụ công suất phản kháng Bổ sung thiết bị phản kháng, mắc rẽ nhánh SVC,TCSC STATCOM Bảo vệ thiết bị Bổ sung chống sét SVC

Điện áp thấp

và quá tải

Cung cấp công suất phản kháng kháng rẽ nhánh, tụ nối tiếp Chuyển mạch tụ, thiết bị STATCOM SVC Ngăn ngừa quá tải Thiết bị kháng nối tiếp PAR TCPAR,TCS

TCSC, UPEC STATCOM, SVC

Các gi ới

hạn nhiệt

Quá tải đường dây hoặc máy biến áp Giảm quá tải

Bổ sung đường dây hoặc máy biến áp TCSC,UPFC TCPAR

Bổ sung thiết bị kháng nối

tiếp SVC,TCSC Cắt mạch

(đường dây) song song

Giới hạn tải của mạch (đường dây) Bổ sung tụ, thiết bị kháng nối tiếp UPFC,TCSC

“ giới hạn nhiệt”

PAR, tụ/ thiết bị phản nối

tiếp SVC,TCPAR TCSC,UPFC Đảo ngược

hướng của dòng công suất

Điều chỉnh

TCPAR,UPF

C Các mức

ngắn

mạch

Dòng sự cố của máy cắt vượt quá

Gi ới hạn dòng ngắn mạch Bổ sung thiết bị phản nối tiếp, máy cắt mới SCCl,UPFC TCSC

Cộng

hưởng

đồng bộ Hư hỏng

Loại bỏ các dao động Bù nối tiếp NGH,TCSC

B ảng 1.3: Các ứng dụng trạng thái động của FACTS

Vấn đề Loại hệ

thống Hiệu chỉnh cần thiết Giải pháp truyền thống Thiết bị FACTS

Độ ổn định

quá độ

A, B,D Tăng momen xoắn đồng

bộ Thiết bị kích đáp ứng cao, tụ nối tiếp

TCSC,TSSC UPFC

A, D Hấp thụ năng lượng động

năng Điện trở hãm, mở van (tuốc bin) nhanh

TCBR,SMES BESS

B,C,D Điều khiển luồng tải động HVDC TCPAR,UPFC Làm tắt

dần

A Làm tắt dần các dao dộng

1Hz

Thiết bị kích, thiết bị ổn định hệ thống điện (PSS)

SVC,TCSC, STATCOM

B,D Làm nh ụt các dao dộng

tần số thấp

Thi ết bị ổn định hệ thống điện (PSS)

SVC,TCPAR,UPFC ,

NGH,TCSC STATCOM Điều khiển

A,B,C,D Gi ảm tác động của hiện

tượng ngẫu nhiên Các đường dây song song

SVC,TCSC STATCOM,UPFC

mạng LTC, đóng lại, các điều khiển HVDC

UPFC, TCSC, STATCOM

Chú thích:

A Máy phát điện vùng sâu, vùng xa – Các đường dây hình tia (VD ở Namibia)

B Các khu vực kết nối với nhau (VD Brazil)

C Mạng kiểu lưới đan chặt (VD ở Tây Âu)

D Mạng kiểu lưới đan lỏng (VD ở Queensland, Úc)

BESS = Hệ thống tích năng lượng dạng acqui

SMES = Lưu trữ năng lượng điện từ siêu dẫn

SVC = Máy bù tĩnh

STATCOM = Máy bù đồng bộ tĩnh

TCPAR =Thiết bị điều chỉnh góc pha điều khiển bằng thyristor

TCSC = Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor

TCVL = thiết bị hạn chế điện áp điều khiển bằng thyristor

TSBR = Điện trở chuyển mạch bằng thyritor

TSSC = Tụ nối tiếp chuyển mạch bằng thyristor

UPFC = Thiết bị điều khiển luồng công suất hợp nhất

CHƯƠNG II

BỘ ĐIỀU CHỈNH GÓC PHA

Chương trước ta đã xem xét mối liên hệ giữa các thông số (được điều khiển) trong HTĐ trong việc điều khiển công suất và giới thiệu về một số thiết bị FACTS điều khiển dòng công suất cũng như các giới hạn về khả năng truyền tải công suất Sau đây

ta đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý, tác dụng của Bộ điều chỉnh góc pha, một thiết bị có

hiệu quả cao trong việc điều khiển dòng công suất tác dụng

2.1 S ơ đồ nguyên lý hoạt động của Bộ điều chỉnh góc pha:

Bộ điều chỉnh góc pha Hình 2.1 (a) gồm có máy biến áp nối tiếp BT, máy biến

áp cung cấp ET và bộ phận chuyển đổi (converter) Cuộn dây sơ cấp của máy biến áp cung cấp có thể lấy nguồn cung cấp từ các pha trong HTĐ Cuộn dây thứ cấp của máy

biến áp cung cấp được nối với thiết bị điều khiển để điều khiển điện áp đầu ra của máy

biến áp nối tiếp VB Biên độ và góc pha của điện áp VB (/VB/ và Φ) dung để điều khiển điện áp tại điểm B và công suất tác dụng trên đường dây được tính như sau:

S R sin( S R P)

X

V V

P= δ −δ ±δ (2.1) Trong đó X là điện kháng của đường dây δS, δR là góc pha tương ứng của điện

áp VS, VR Theo Biểu thức (2.1) góc δP là biến chính để điều khiển dòng công suất Dải giá trị của góc δP mà bộ điều chỉnh góc pha cung cấp phụ thuộc chủ yếu vào đặc tuyến

của mạch điều khiển

có góc điều chỉnh khoảng ± 30° với bước nhảy từ 1 đến 2°

Các hạn chế về kỹ thuật của bộ điều chỉnh pha cũ sẽ được khắc phục nếu các khóa chuyển mạch cơ khí được thay thế bởi các bộ chuyển mạch bán dẫn Sau đây khái

niệm bộ điều chỉnh pha tĩnh (Static Phase Shifter-SPS) được dùng để phân biệt với bộ điều chỉnh pha cũ Theo định nghĩa của IEEE thì bộ điều chỉnh góc pha điều khiển

bằng thyristor (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer-TCPST) là bộ điều

chỉnh góc pha, được điều chỉnh bằng thyristor để cung cấp góc pha điều chỉnh nhanh

Bộ điều chỉnh góc pha có hiệu quả cao trong việc điều chỉnh dòng công suất truyền tải trên lưới trong những trường hợp khi công suất được truyền tải trên 2 đường dây song song với chiều dài khác nhau hoặc khi cần thiết lập một luồng công suất theo yêu cầu trên một đường dây nối giữa hai nút trong HTĐ Bộ điều chỉnh góc pha cũng

kín) và việc sử dụng Bộ điều chỉnh góc pha điều khiển nhanh sẽ làm giảm tác động do nhiễu loạn hệ thống (giảm dao động), cải thiện sự ổn định quá độ

2.2 Tác d ụng của Bộ điều chỉnh góc pha

2.2.1 Điều khiển dòng công suất bằng Bộ điều chỉnh góc pha

Để thấy rõ việc điều khiển dòng công suất bằng việc điều chỉnh góc pha ta xét

mô hình HTĐ đơn giản gồm 2 máy phát điện có điện áp tương ứng Vs, Vr và Bộ điều

chỉnh góc pha được đặt trên ĐZ nối giữa 2 máy phát hình 2.2 (a) Ở đây Bộ điều chỉnh góc pha có thể coi như là 1 nguồn áp cung cấp điện áp xoay chiều hình sin (có tần số cơ

bản) và nguồn áp này có thể điều chỉnh được cả biên độ và góc pha, khi có điện áp Vseff

(điện áp nút đầu đường dây) là tổng điện áp Vs và điện áp Vб (điện áp bơm vào hệ

thống) do Bộ điều chỉnh góc pha cung cấp được chỉ ra trên đồ thị vec-tơ hình 2.2 (b)

- Đối với Bộ điều chỉnh góc pha lý tưởng, thì góc pha của điện áp Vб so

với điện áp VS là hệ số biến đổi theo góc б, vì thế việc thay đổi góc pha sẽ không làm thay đổi biên độ điện áp nút được chỉ ra như biểu thức sau:

δ

.

V V

V s eff = s+ Và V seff =V s =V s eff =Vδ =V

.

(2.2)

Việc điều chỉnh góc pha là giữ công suất truyền tải một giá trị yêu cầu độc lập

với góc truyền tải б (góc lệch điện áp giữa nút đầu và nút cuối đường dây), để thấy rõ

hơn ta xét hình 2.2 (c), công suất có thể giữ được tại giá trị đỉnh của nó sau khi góc б

vượt góc π/2 (góc mà tại đó công suất truyền tải đạt giá trị lớn nhất) bằng cách điều khiển biên độ của điện áp Vб, bởi vì khi điều khiển điện áp Vб thì góc truyền tải lúc này sẽ là (δ – б) và bằng π/2 Theo cách này công suất truyền thực tế có thể tăng lên,

mặc dù Bộ điều chỉnh góc pha không thể làm tăng giới hạn công suất truyền

Theo công thức (2.2) thì góc giữa điện áp đầu đường dây và cuối đường dây là (δ – б), và công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q truyền tải trên đường dây được tính như sau:

)sin(

1(

c) Công su ất truyền và đặc điểm góc truyền

bên trái (bằng mạch điều khiển có thể đảo ngược điện áp Vб) và khi đó Bộ điều chỉnh góc pha có thể giữ được công suất truyền tải ở mức lớn nhất tại góc δ trong dải π/2– б<

δ < π/2

- Nếu như góc của véc-tơ điện áp Vб được đặt cố định và vuông góc với

đầu đường dây và góc lệch điện áp giữa nút đầu và nút cuối đường dây theo biểu thức

sau:

δ

V V V

V s eff = seff = + (2.5) Đối với loại điều chỉnh góc pha dạng này thì công suất tác dụng truyền tải trên đường dây được viết dưới dạng sau:

)(sin

2

δ

δ σ c os V

V X

V

Hình 2.3 : Đồ thị véc-tơ và đặc tuyến công suất phụ thuộc vào

góc pha và biên độ điện áp

Công suất truyền tải phụ thuộc vào góc δ là tham số trong hàm của điện áp bơm

vào Vб, đồ thị véc-tơ được chỉ ra trên hình 2.3 Có thể thấy rằng công suất truyền tải

max và điện áp tại nút đầu đường dây thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện áp Vб

Bộ điều chỉnh góc pha nói trên điều chỉnh được cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng Công suất S qua Bộ điều chỉnh góc pha được biểu diễn qua biểu

thức sau:

I V I V I V V

S = seff − s = σ = σ (2.7)

2.2.2 Điều khiển dòng công suất chạy vòng (công suất tác dụng và công suất

phản kháng)

Giả sử có 2 hệ thống điện “s” và “r” như hình 2.4 (a) được nối với nhau bằng

một đường dây có điện kháng X và điện trở R Hình 2.4 (b) chỉ ra việc truyền công suất

từ “s” tới “r” khi điện áp Vs và Vr tương ứng của 2 hệ thống khác nhau cả biên độ và góc pha khi đó sẽ có dòng điện I chạy trên đường dây Véc-tơ hiệu giữa hai véc-tơ điện

áp trên Vt = Vs – Vr là véc-tơ điện áp giáng trên đường dây có tổng trở Z = R + jX bao

gồm các thành phần điện áp rơi trên điện trở R và điện kháng X, lần lượt là IR và jIX Tuy nhiên, ta có thể tách véc-tơ điện áp Vt và dòng điện I chạy trên đường dây ra tương ứng thành các thành phần Vd, Id cùng pha và Vq, Iq vuông góc với véc-tơ điện áp nút đầu đường dây Vs, như hình 2.4 (b)

Hình 2.4: a) S ơ đồ hai nguồn điện nối với nhau b) Đồ thị véc-tơ điện áp

Trong thực tế, các hệ thống điện được nối với nhau bằng hai hay nhiều đường dây tạo thành những mạch vòng, do đó có thể xuất hiện dòng điện chạy vòng trong đó

Để thấy rõ điều này ta xét HTĐ ở hình 2.5 gồm 2 đường dây song song nối với nhau có

tổng trở Z1 = R1 + jX1 và Z2 = R2 + jX2 Nếu tỷ số X/R của hai đường dây không bằng nhau (X /R ≠ X /R ), sẽ xuất hiện dòng điện I chạy vòng qua hai đường đó Để

1 1

1 (I I )R j((I I )X

V d = d + cd + q + cq (2.8)

1 1

1 1

1 (I I )R j((I I )X

V q = q + cq + d + cd (2.9)

và

2 2

2 2

2 (I I )R j((I I )X

V d = d − cd + q − cq (2.10)

2 2

2 2

2 (I I )R j((I I )X

V q = d − cq + d − cd (2.11)

Các biểu thức (2.8) đến (2.11) chỉ ra rằng nếu X1/R1 = X2/R2 thì Icd và Icq phải

bằng 0

Hình 2.5: Hai h ệ thống nối với nhau 2 đường song song

Nhưng như trên đã giả thiết X1/R1 ≠ X2/R2, điều này chứng tỏ là tồn tại một trong hoặc cả hai thành phần Icd và Icq tức là dòng Ic≠ 0 Để rõ ràng, ta xét từng trường

hợp cụ thể:

Hình 2.6 (a) minh họa trường hợp khi có sự chênh lệch giữa hai thành phần điện

áp cùng pha V1q và V2q Để gần với thực tế thì giả thiết rằng R1 << X1 và R2 << X2, sự chênh lệch này duy trì dòng điện thành phần cùng pha Icd, vì thế làm tăng công suất tác

dụng trên đường 1 và làm giảm công suất tác dụng trên đường 2

Hình 2.6 :Đồ thị véctơ điện áp không cân bằng a) Dòng công su ất tác dụng chạy vòng b) Dòng công su ất phản kháng chạy vòng

Ở hình 2.6 (b) là trường hợp khi có sự chênh lệch giữa hai thành phần điện áp

V1d và V2d Sự chênh lệch này, với giả thiết ở trên, sẽ duy trì thành phần dòng điện

vuông pha, Icq, vì thế làm tăng công suất phản kháng trên đường dây 1 và giảm công

suất phản kháng trên đường dây 2

Trong trường hợp chung, có thể tồn tại sự chênh lệch cả 2 thành phần điện áp

cùng pha và vuông pha và sự chênh lệch này sẽ duy trì hai thành phần dòng điện cùng

pha và vuông pha tương ứng do đó làm thay đổi dòng công suất tác dụng và phản

kháng cân bằng giữa hai đường dây

Nhìn chung, việc phân bổ cùng dòng công suất tác dụng trên dạng các mạch

vòng khép kín có thể được điều khiển bằng Bộ điều chỉnh góc pha Dòng công suất

phản kháng được điều khiển bằng Bộ điều chỉnh điện áp Các trạng thái phân tích phía

trên cho thấy rằng trong thực tế điện kháng của đường dây đã gây ra các thành phần

công suất chạy vòng trong mạch kín Như ở trên đã trình bày, Bộ điều chỉnh góc pha

cung cấp thêm điện áp vuông góc với điện áp nút đầu đường dây có nghĩa điện áp do

Bộ điều chỉnh góc pha cung cấp nối tiếp với điện áp giáng trên đường dây Do đó đặt

thêm Bộ điều chỉnh góc pha ở đường dây 1 hoặc đường dây 2 ở HTĐ hình 2.5 có thể

điều khiển được độ chênh lệch giữa các điện áp giáng trên hai đường dây, từ đó có thể

điều khiển được sự phân bố công suất tác truyền trên các đường dây tránh hiện tượng truyền công suất chạy vòng trong mạch vòng.

2.2.3 Cải thiện sự ổn định quá độ với Bộ điều chỉnh góc pha:

Bộ điều chỉnh góc pha ngoài việc điều khiển dòng công suất truyền tải trên đường dây còn được sử dụng với hiệc quả cao để tăng giới hạn ổn định và giảm dao động công suất Ở đây tiêu chuẩn cân bằng diện tích được sử dụng để đánh giá mức độ tăng miền ổn định có thể đạt được bởi Bộ điều chỉnh góc pha

Xét một hệ thống đơn giản với Bộ điều chỉnh góc pha được vẽ trên hình 2.2 (a)

Giả thiết hệ thống trước và sau sự cố như nhau và trong hệ thống ở hình 2.2 (a) công

suất truyền tải Pm như nhau khi có hay không có Bộ điều chỉnh góc pha Lại giả thiết thêm rằng sự cố trong hệ thống ở cùng trong khoảng thời gian khi có và không có bộ điều chỉnh góc pha Đặc tính ổn định động của hệ thống được thể hiện ở hình 2.7 (a) và (b), trước khi sự cố, công suất truyền tải của hệ thống tương ứng khi có và không có bộ điều chỉnh góc pha đều là Pm tại cả hai góc δ1 và δa1 Khi sự cố, công suất truyền tải

giảm xuống bằng 0, trong khi đó công suất đầu vào (công suất cơ) của máy phát vẫn không thay đổi và bằng Pm Vì vậy làm cho tốc độ quay của rôto máy phát tăng lên và chuyển từ trạng thái xác lập với góc δ1 và δa1 sang trạng thái xác lập mơi với góc δ2 và

δa2 khi mà sự cố đã được loại trừ Năng lượng gia tốc cho bởi điện tích được cho bởi hai diện tích hình chữ nhật A1 và Aa1. Sau khi sự cố bị loại trừ công suất điện lớn hơn công suất cơ và bởi vậy máy phát sẽ hãm tốc Tuy nhiên, năng lượng động lực tích lũy tăng lên đến khi có sự cân bằng năng lượng gia tốc và năng lượng hãm tốc, được đưa ra

bởi diện tíc các hình chữ nhật A1, Aa1 và A2, Aa2, tương ứng, điều này đạt được với các góc giao động tối đa tương ứng, δ3 và δa3 Các diện tích được xác lập bởi đường cong quan hệ P(δ) và đường thẳng Pm khống chế bởi các góc δ3 và δcrit , và δa3 và δacrit tương ứng, những diện tích đó quyết định đến biên độ của độ ổn định quá độ, được đưa ra bởi các diện tích Amargin và Aamargin

So sánh trên hình 2.7 (a) và (b) thấy rõ ràng việc tăng biên độ của độ ổn định quá độ khi có bộ chuyển đổi góc pha Đáng lưu ý là ngược với các bộ bù song song và

nối tiếp cải thiện độ ổn định quá độ thông qua khả năng bản thân chúng để tăng giới

hạn độ ổn định quá độ trên đường dây, thì Bộ diều chỉnh góc pha lại duy trì công suất truyền tải giới hạn độ ổn định quá độ của đường dây trong chu kỳ dao động đầu tiên

Việc tăng miền của độ ổn định quá độ tương ướng với tăng dải góc pha và vì thế tăng công suất S của Bộ điều chỉnh góc pha

Hình 2.7 : Đặc tính ổn định quá độ của hệ thống 2 động cơ đơn giản

a) không có điều khiển góc pha b) có s ử dụng bộ điều chỉnh góc pha

2.2.4 Giảm sự dao động công suất bằng Bộ điều chỉnh góc pha:

Bộ điều chỉnh góc pha có thể được áp dụng để giảm sự dao động công suất Việc

giảm dao động công suất đạt được bằng cách thay đổi dòng công suất tác dụng trên đường dây Điều này có nghĩa là, khi máy phát dao động tăng tốc và góc pha δ tăng (dδ/dt > 0), công suất điện phải được tăng lên để bù vào độ dư thừa công suất cơ

Ngược lại, khi máy phát hãm tốc và góc pha δ giảm (dδ/dt < 0), công suất điện phải được giảm xuống để cân bằng với sự thiếu công suất cơ

Yêu cầu của việc giảm dao động công suất theo thời gian bằng cách điều khiển góc pha được biểu diễn bởi các dạng sóng 2.8 Dạng song hình 2.8 (a) cho thấy các dao động với biên độ không thay đổi và các dao động giảm dần của góc δ xung quanh giá

trị trang thái xác lập δ0 Các dạng song ở hình 2.8 (b) chỉ ra các dao động với biên độ không đổi và các dao động giảm dần của công suất tác dụng P xung quanh giá trị tạng

ập P ả thiết có sự cố (giảm đột ngột công suất tác dụng P) gây ra dao

động Dang song hình 2.8 (c) cho thấy sự thay đổi của góc pha б do Bộ điều chỉnh góc pha tạo ra, giả thiết rằng dải điều chỉnh góc pha б là бmin ≤ б ≤ бmax và δ trong dải 0 ÷ л / 2 Khi dδ/dt > 0, góc б < 0 điều này làm cho công suất phụ thuộc vào góc δ được thể

hiện ở hình 2.8 (c) đượ dịch sang trái điều này làm tăng góc lệch pha giữa 2 điện áp (ở đầu và cuối đường dây) và công suất tác dụng truyền tải Khi dδ/dt < 0 và góc б > 0 điều này làm cho công suất phụ thuộc vào góc δ được dịch sang phải, điều này làm

giảm góc lệch pha giữa hai điện áp (ở đầu và cuối đường dây) và công suất tác dụng truyền tải Theo hình minh họa cho thấy б được điều khiển theo kiểu đối ngược (đầu ra

của Bộ điều chỉch góc pha được thay đổi từ từ giá trị tối thểu đến giá trị tối đa) Thực

chất, kiểu điều khiển này cho hiệu quả cao nhất khi giảm các giao động lớn Việc giảm các dao động công suất nhỏ thì sự thay đổi liên tục góc б mang lại hiệu quả hơn

Hình 2.8: Gi ảm dao động công suất bởi Bộ điều chỉnh góc pha

a) Góc phát b) Công su ất truyền tải c) Thay đổi góc pha của Bộ điều chỉnh góc

2.3 Tóm t ắt chức năng của Bộ điều chỉnh góc pha

Qua việc nghiên cứu Bộ điều chỉnh góc pha ta thấy tác dụng trước tiên của Bộ điều chỉnh góc pha là để giải quyết các vấn đề truyền tải công suất Các vấn đề này có

thể có quan hệ với độ dài của đường dây hoặc cấu trúc của lưới truyền tải mà đặc trưng

của nó tạo sự không cân bằng công suất truyền tải, như là: các trường hợp quá tải, non

tải của một số đường dây trong HTĐ, công suất truyền tải theo mạch vòng (gây tổn thất

lớn) Bộ điều chỉnh góc pha được sử dụng để điều chỉnh dòng công suất tác dụng truyền tải trên các đường dây, nhằm đảm bảo đường dây được đặt Bộ điều chỉnh góc pha truyền tải công suất trong giới hạn cho phép và phân bố lại công suất truyền tải hợp

lý trong toàn hệ thống Ngoài ra, Bộ điều chỉnh góc pha có tác dụng:

- Nâng cao ổn định điện áp, ổn định tĩnh cũng như ổn định động của toàn hệ

thống

- Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống, bởi khi hệ thống lớn liên

kết với nhau có khả năng huy động tối ưu công suất từ nhiều nguồn phát do

có thể dòng công suất theo yêu cầu Từ đó giảm được chi phí đầu tư vào các công trình nguồn

- Giảm chi phí vận hành, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và khả năng vận hành linh hoạt của hệ thống điện do công suất chung của hệ thống điện lớn

- Tăng tính kinh tế chung và hiệu quả vận hành của hệ thống điện do tận dụng được các nguồn phát có giá thành sản xuất điện năng thấp

Trước đây, các thiết bị điều khiển dòng công suất không có tự động điều chỉnh

hoặc điều chỉnh rất chậm, nhẩy bậc Sự ra đời của các thyristor công suất lớn cùng với

nó là các thiết bị FACTS (Flexible AC Tranmisson System) trong đó có Bộ điều chỉnh góc pha đã mang lại hiệu quả điều khiển rất cao trong vận hành HTĐ

2.4 Mô hình hóa b ộ điều chỉnh góc pha trong lưới điện

2.4.1 Mô hình máy biến áp điều chỉnh

Máy biến áp điều chỉnh (RT: Regulating Transformer) (hình 2.9a) bao gồm 2

MBA ghép song song và nối tiếp với lưới điện MBA song song, thông qua mạch biến đổi (điện-cơ hay điện tử), cung cấp một điện áp điều chỉnh được (biên độ và/hoặc pha)

thất; công suất (CS) MBA nối tiếp trao đổi với lưới điện được bù bởi mạch song song

Khi đó tổng thể thiết bị không trao đổi CS với HTĐ: Sk = S k’ Như vậy RT có thể được mô tả như một MBA lí tưởng:

ˆˆ

t là hệ số biến áp phức của RT Mạch điện thay thế biểu diễn ở hình 2.9b với

một nguồn áp nhánh Vse và một nguồn dòng sun Ish; tổng dẫn y biểu diễn thông số của đường dây (ĐD) k-m được nối với nút k thông qua RT (cũng có thể đưa vào y một phần biểu diễn điện kháng của RT) Toàn bộ mạch k-m có ma trận tổng dẫn nút như của MBA lí tưởng ghép với tổng dẫn y:

Thông số của RT là hệ số biến áp phức t, gồm môđun và góc pha: t = ∠t θ ,

nó nâng điện áp (phức) đầu ĐD Vk tới Vk' = tV Cũng có thể dùng thông số đặc k

trưng cho điện áp chèn: Vse = rV k ứng với thông số r = ∠r γ Từ phương trình:

V  = tV   = V  + V  = V  + rV  suy ra quan hệ giữa hai thông số này (hình 2.10):

1

sintan

r r

γθ

γ

=+

Hình 2.9 : Mô hình MBA điều chỉnh

2.4.2 Máy điều chỉnh pha

Trường hợp hay gặp của RT là máy điều chỉnh pha (PS: Phase Shifter; phiên bản điện tử gọi là TCPS, TCPR) Thiết bị này thường có điện áp chèn vuông góc với áp ĐD: γ = ±900 Khi đó ta có:

2 2 2

2

coscos

coscos

CH ƯƠNG III

PHÁT TRIỂN CHƯƠNG TRÌNH TÍNH PHÂN BỐ DÒNG ĐỂ MÔ

PH ỎNG MÁY ĐIỀU CHỈNH PHA

3.1 H ệ phương trình tính toán CĐXL

Các phương trình chế độ xác lập sử dụng mô hình toán học tuyến tính cho các

phần tử, nhưng phi tuyến cho nguồn và phụ tải điện Sự phi tuyến này là do dạng phi tuyến của luật Kirchhoff cho dòng công suất, mà ở chế độ xác lập thường phụ tải được cho bởi công suất thực P và phản kháng Q bằng số, còn các nguồn điện thường làm

việc với công suất P xác định và ở một điện áp được điều chỉnh xác định Điều này

thấy rõ hơn dưới đây

Nếu gọi điện áp phức (chế độ xác lập) ở một nút K của lưới là U. k=U k∠θkvà dòng điện (phức) phụ tải nguồn điện nút k là I k

là phi tuyến đối với điện áp (dấu * chỉ số phức liên hợp)

Biến đổi phương trình này ta có công suất nút (công suất pha ứng với áp pha

hoặc công suất ba pha ứng với áp dây):

∑

=

=+

m

m km k

k k k

p

.

U = θ (ký hiệu exp(jθk) = ejθ) Nếu tổng dẫn cũng viết ở toạ độ cực:

) exp(

.

km km

m

km km

km m k

m

km km

m m

k k

k k

j j

Y U U

j Y

j U

j U

jq p

)exp(

)exp(

)exp(

)exp(

ψθ

ψθ

θ

Trong đó θkm = θk – θm Tách phần thực, phần ảo ta được:

)(

km km m

km m k k

km km m

km m k k

Y U U q

os c Y U U p

ψθ

ψθ

(

)sin(

km km

km m

km m k k

km km km m

km m k k

os c B G

U U q

B os

c G U U p

θθ

θθ

(3.3)

Các phương trình (3.2), (3.3) là dạng toạ độ cực của phương trình chế độ xác lập

Chú ý hiệu ∑

m

chỉ tổng lấy theo mọi nút kể cả nút k và nút cân bằng

Các phương trình mô tả cân bằng công suất (dòng) ở các nút và là phương trình

(đại số) phi tuyến (đối với điện áp) Chú ý rằng các phương trình này không chứa biến

thời gian vì ta đang xét chế độ xác lập Cũng chú ý ta đã tách phần thực phần ảo nên tất

cả các đại lượng trong phương trình đều là số thực

Bây giờ chúng ta xem xét việc giải các phương trình này Trước hết ta nhận xét

rằng vì phương trình là phi tuyến nên để giải nó ta không thể dùng phương pháp giải tích tường minh, mà phải dùng các phương pháp số (numeril methods)

Giả sử lưới điện có n+1 nút đánh số từ 0 tới n, không kể nút trung tính nối đất

Tại mỗi nút có 4 biến thực Nếu cho trước 2(n+1) các đại lượng này, thì từ 2(n+1)

phương trình chế độ xác lập ở trên, ta có thể xác định được 2(n+1) biến còn lại Giả thiết này được thoả mãn, nếu như ta xem xét trường hợp biểu diễn nút phụ tải bởi công

xuất P,G hằng số đã biết ( bao gồm các nút nối dây có P=0, Q=0 hoặc Q=Qc với Qc mô

tả công suất trên điện dung của đường dây nối tới các nút), còn ở nút nguồn điện cho

trước công suất tác dụng P và môđun điện áp U (các nút này được gọi là nút điều chỉnh

điện áp)

Khi xem xét kỹ hơn ta có hai nhận xét sau đây:

+ Phương trình dạng toạ độ cực (2.2), (2.3) chứa một biến số là góc pha của điện

áp, tuy nhiên các phương trình này chỉ phụ thuộc vào góc tương đối giữa hai nút

“mốc” nào đó tuỳ chọn Điều đó có nghĩa là ta phải chọn trước góc một nút nào đó

+ Không thể xác định được trước công suất P ở tất cả các nút của lưới điện, vì điều khiện cân bằng công suất quy định phải có một nút tại đó công suất phát vào lưới

phụ thuộc vào tổng công suất phụ tải, tổn thất công suất trên lưới và công suất đã cho ở các nút nguồn khác Nút này được gọi là nút cân bằng công suất (swing bus, slack bus)

và được chọn trong số các nút nguồn Vì thế không thể cho trước P ở tất cả các nút nguồn như giả thiết ở trên

Như vậy từ nhận xét thứ nhất, số ẩn góc điện áp giảm đi một vì phải cho trước

một góc, còn từ nhận xét thứ hai phải có một công suất P (ở nút cân bằng) là ẩn số (biến phụ thuộc) Để cho tiện ta chọn góc ở nút cân bằng θkm =0, như vậy ở nút này (một nút nguồn) sẽ cho trước u, θ thay vì cho u, P Số ẩn còn lại vẫn bằng số phương trình

Tóm lại, 3 nút thường được xử lý trong tính toán phân bố dòng (PF) là:

1 Nút PV hay nút điều khiển điện áp: Công suất tác dụng P và biện độ

điện áp u được cho trước Đây thường là các nhà máy điện với U được duy trì bởi thiết bị tự động điều chỉnh điện áp hay các trạm bù công suất phản kháng Việc duy trì điện áp được thực hiện bởi chính công suất phản kháng nguồn phát ra Tất nhiện khoảng điều chỉnh này

có giới hạn do giới hạn của dòng stator và giới hạn của dòng kích từ

của máy phát điện đồng bộ, cũng như điều kiện làm việc ổn định ở

chế độ thiếu kích thích Do đó các nút này thường phải xem xét điều

3 Nút cân b ằng: Phát sinh do tổn thất công suất trong lưới là không biết

trước khi tính toán chế độ Nút này thường chọn trong số nút nguồn

và ứng với nhà máy điện làm nhiệm vụ điều chỉnh tần số Tại nút cân

bằng cho trước U, θ Thông thường các phương trình PF dùng một nút cân bằng, tuy nhiên cũng có thể xử lý bài toán giải tích trong hệ thống

hợp nhất, bao gồm nhiều vùng, nhiều nút điều chỉnh tần số và công

suất trao đổi (mua, bán) giữa các vùng

Ta nên nhận xét liên quan tới giải phương trình chế độ xác lập, tức là giải bài

toán PF: M ỗi ẩn số công suất (p hoặc q) chỉ tham gia vào một phương trình (ở dạng cân b ằng công suất), do đó không cần giải hệ phương trình để xác định chúng Công

suất chưa biết sẽ tính từ phương trình tương ứng sau khi xác định ẩn điện áp u, θ bằng cách giải phương trình

Giả sử nút 0 là nút cân bằng, n nút còn lại bao gồm nk nút nguồn (generator, hay nút PV) và nc nút tải (charges, hay nút PQ) Từ (2n+1) phương trình ta loại ra các

ph ương trình với công suất nút chưa biết, cụ thể là 2 phương trình đối với nút cân bằng,

ng phương trình cho q ở nút nguồn, còn lại hệ n+nc phương trình đủ để giải ra n góc θ ở các nút và nc ẩn điện áp u ở các nút phụ tải

3.2 Ph ương pháp Newton-Raphson

3.2.1 Ph ương trình lặp Newton-Raphson

Nếu ta viết hệ phương trình phi tuyến của chế độ xác lập ở dạng:

r(x)=0 (3.4) thì đối với phương trình công suất dạng (2.2), (2.3) r là vectơ hàm biểu diễn sai số công

p P Q

P

trong đó P,Q là công suất đã cho của nút, còn p,q là hàm của điện áp nút

Áp dụng vào hệ phương trình cân bằng công suất nút dạng (2.4), (2.5) ta có

phương trình tuyến tính hoá cần giải ở bước lặp i là:

Ji(xi+1-xi)=ri (3.6) Trong đó ri=(P-pi,Q-qi) còn Ji là ma trận Jacobian ( chứa các đạo hàm riêng của p và q,

ta sẽ khảo sát ma trận trong mục sau):

p P x r

3.2.2 Jacobian của các phương trình chế độ xác lập

Ma trận Jacobian có vai trò quan trọng trong thuật toán giải bằng phương pháp Newton-Raphson Vì phương trình cho p và q là phi tuyến đối với ẩn x (điện áp) nên

ma trận này xác định theo (3.7), phụ thuộc chế độ làm việc (điện áp) và do đó thay đổi

từ bước lặp này sang bước lặp khác Sau đây dẫn ra biểu thức cho các phần tử của ma

trận đạo hàm riêng này bằng cách lấy đạo hàm trực tiếp các phương trình chế độ xác

kk k km km km km

m k

k m

kk k km km km

m k k

G U B

G U U

G U Y

U U p

(

)cos(

θθ

ψθ

kk k km km km km m k

k m

kk k km km km

m k k

B U s

co B G

U U

B U Y

U U q

(

)sin(

θθ

ψθ

(nc phương trình)

Từ các phương trình này dễ dàng tính các phần tử Jacobian:

(

)sin(

/

km km km km m k

km km km

m k m k

s co B G

U U

Y U U p

θθ

ψθθ

km km km m k

k m

km km km

m k k k

p B

G U U

Y U U p

#

/)

cossin

(

)sin(

/

θθ

θ

ψθθ

)sincos

(

)cos(

/

km km km km

k

km km km

k k k

B G

U

Y U u p

θθ

ψθ+

=+

+

=

−+

k km

km km km

m kk

k

k m

km km km

m kk

k k k

U p G

U B

G U G

U

Y U G

U u p

#

/2

)sincos

(2

)cos(

2/

θθ

ψθ

)sincos

(

)cos(

/

km km km km

m k

km km km

m k m k

B G

U U

Y U U q

θθ

ψθθ

km km km

m k

k m

km km km

m k k k

q B

G U U

Y U U q

#

/)

sincos

(

)cos(

/

θθ

θ

ψθθ

)cossin

(

)sin(

/

km km

km km k

km km km

k m k

B G

U

Y U u q

θθ

ψθ

−

=

−+

−

=

−+

k km

km km km m kk

k

k m

km km km

m kk

k k

k

U q B

U B

G U B

U

Y U B

U u

q

#

/2

)cossin

(2

)sin(

2/

θθ

ψθ

kk k k m

k k

kk k k m k k

kk k k kk k k

k k

k

U ( ∂ / ∂ ) = ( ∂ / ∂θ ) + 2 2 = + 2

)/()/

kk k k kk k k

k k

k

U ( ∂ / ∂ ) = − ( ∂ / ∂θ ) − 2 2 = − 2

m k m k

Nhận xét rằng việc tính toán Jacobian sẽ đơn giản hơn nếu áp dụng các công

thức trong (3.9) Như ta thấy, các phần tử đường chéo có thể tính theo pk và qk và có

thể đơn giản hoá nếu thay thế gần đúng pk và qk bởi Pk và Qk (công suất nút đã cho)

Nếu gần nghiệm xấp xỉ này là tốt

Bây giờ biểu diễn ma trận Jacobian (J) dưới dạng khối gồm 4 ma trận

θθ

//

//

2 1

p p

p p

J J

J J

Kích thước của các ma trận này như sau: J1 (nxn), J2 (nxnc), J3 (ncxn),

),(2

),(

1 4

1 4

m k J m k J U

k k J q k k J U

m

k k

,(

),(2

),(

3 2

3 2

m k J m k J U

k k J p k k J U

m

k k

Dựa vào các quan hệ này cho phép tính toán thành lập các khối con dễ dàng hơn

rất nhiều

Hình 3.1: S ơ đồ thuật toán Newton-Raphson tính toán chế độ xác lập

Nhập dữ liệu đầu vào Đặt xấp xỉ đầu Uk(0), θk(0) (k=1÷n; k≠r, r là nút PV)

Tính ma trận tổng dẫn Y

it=1 Tính công suất nút theo điện áp và góc pha

(

)sin(

km km

km km m k k

km km km m

km m k k

os c B G

U U q

B os

c G U U p

θθ

θθ

Ki ểm tra các nút PV

Tính sai s ố công suất

∆qk(it)=Qk-qk(it); ∆qnút PV = 0

Max ∆pk(it) < ε Max ∆qk(it) < ε

Tính các thông

số chế độ Dừng chương trình Tính ma trận Jacobian theo (3.9)

Gi ải hệ tuyến tính (3.6) dạng J.∆x=∆r

it=it+1

3.3 Cài đặt PS vào chương trình tính phân bố dòng

Trong phương pháp Newton-Raphson, phương trình CS nút của 2 nút đầu nhánh đặt RT sẽ thay đổi, do thay đổi trong dòng nhánh này Để tách riêng phần thay đổi so với thuật toán áp dụng cho lưới không có RT, ta tách riêng thành phần phụ thuộc RT trong CS nhánh này:

Hệ phương trình nút có dạng s(x) = S, trong đó mỗi phương trình bao gồm 2

phương trình cho CS P và Q (hoặc 1 phương trình cho P như đối với nút PV) S là CS nút đã cho, s là hàm của biến trạng thái x (áp nút và góc pha) Vì ta xét bài toán mô phỏng RT nên thông số RT coi là đã biết

Nếu có 1 nhánh k-m trang bị RT thì chỉ có 2 phương trình thay đổi ứng với 2-4 phương trình CS nút k và CS nút m:

hợp máy điều chỉnh pha PS tính từ (2.25),(2.26) và ta nhận xét rằng, tất cả các thành

phần này đều có hệ số nhân r = tanθ, đồng thời nếu bỏ qua g thì các đạo hàm của P theo

δ và Q theo V cũng có hệ số nhân sinδkm Như vậy với góc điều chỉnh θ nhỏ (trên dưới

100 chẳng hạn) thì thành phần tăng thêm khá nhỏ, đặc biệt là các đạo hàm P theo δ và

Q theo V càng nhỏ với góc truyền tải nhỏ Từ đó nếu ta bỏ qua chúng thì jacobian coi

là không đổi khi có mặt PS, và để xét đến thiết bị này trên nhánh k-m, ta chỉ cần trên

mỗi bước lặp NR, cập nhật và cộng thêm CS nút tương đương SPS vào nút k và m

CHƯƠNG IV

ĐỘ NHẠY CỦA DÒNG CÔNG SUẤT NHÁNH THEO THÔNG SỐ

C ỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH PHA

Khi xem xét ảnh hưởng của PS tới chế độ làm của lưới điện, có được công cụ

hiệu quả và có tính hệ thống để đánh giá là hết sức cần thiết Tính toán độ nhạy thường được sử dụng cho mục đích này vì nó dẫn ra mối liên hệ trực tiếp giữa biến điều khiển

và kết quả

Có rất nhiều phương pháp tính độ nhạy khác nhau, ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp tuyến tính hóa quan hệ giữa dòng công suất hữu công trong lưới điện và thông số của PS, từ đó dẫn ra phương pháp tính độ nhạy tương ứng

4.1 Ma tr ận độ nhạy dòng công suất

Trong chế độ xác lập, hệ thống điện được mô phỏng bởi phương trình:

F(X,Z,D)=0 (4.1) Trong đó: X là véc tơ biến trạng thái (biên độ, góc pha điện áp nút)

Z là véc tơ biến điều khiển (điện áp chèn Vse)

D là véc tơ thông số (thông số về đường dây, máy biến áp, )

Giả sử tồn tại nghiệm X0 cho biến điều khiển Z0 và thông số D0, ta có:

F(X0,Z0,D0)=0 (4.2) Khai triển Taylor bậc nhất phương trình (4.1) ta được:

FX là ma trận jacobian đã biết từ bước tính toán dòng công suất theo phương pháp newton-raphson chuẩn Các ma trận jacobian còn lại được xác định như sau

4.1.1 Tính ma trận WZ

Công suất nhánh ij nối từ nút i – nút j không có chứa PST là

( ij ij)

j i i

2

θδθ

δθ

P

Ta lại có Vse = jrVk với r = tanθ

Biến đổi công thức trên ta được:

P = 2 − cosδ + sinδ + 2 + sinδ − cosδ

Vậy công suất nhánh ij nối từ nút i – nút j chứa PST, giả thiết PST đặt ở nút i, là:

Đạo hàm của Wij theo thông số Vse có giá trị là:

j se

se

ij

b g

V g V

(

0 ) sin cos

km km m

m

k

k

B G

V

V

Q

B G

V

V

P

δδ

δδ

Do không chứa thông số điều chỉnh Z ( Vse ) trong biểu thức nên FZ = 0 với

sin cos

km km

m se n

i

mi mi mi mi

i m

P