D an toan c a h th ng v i s phat di n gi

Sự Bảo Đảm Xác Suất Cho N-1Độ An Toàn Của Hệ Thống Với Sự Phát Điện Gió Năng Lượng Gió Maria Vrakopoulou, Kostas Margellos,John Lygeros and Goran Aandersson 1.Giới Thiệu An toàn trong h

Sự Bảo Đảm Xác Suất Cho N-1

Độ An Toàn Của Hệ Thống Với Sự Phát Điện Gió Năng Lượng Gió

Maria Vrakopoulou, Kostas Margellos,John Lygeros and Goran Aandersson

1.Giới Thiệu

An toàn trong hệ thống năng lượng là một chủ đề nghiên cứu quan trọng, và nó đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhựng năm qua sau tài liệu tham khảo [1,2], an toàn của một

hệ thống năng lượng đề cập đến khả năng tồn tại dự phòng khi tránh bất kì nhưng điều không mong muốn làm gián đoạn của sự việc để định lượng độ an toàn, các khái niệm về đánh giá an toàn N-1 đã được phát triển ( xem ví dụ, tài liệu tham khảo [3] ), trong bối cảnh này, chúng ta xem xét hệ thống để N-1 trong tình trạng an toàn, nếu có tổn thất đi một vài thành phần thì cũng không dẫn đến sự ngưng trệ từng đợt vì vậy , thiết kế được

hệ thống N-1 an toàn để cung cấp một cách tôt nhất từ mất điện trên diện rộng, mà trong nhiều trường hợp phát triển như kết quả cho các biến cố phân tầng [4] Hướng tới mục tiêu này,tài liệu tham khảo [5,6] xem xét các thiết bị FACTS và thiết kế cài đặt của chúng một cách tối ưu để tăng cường sự bảo đảm trạng thái ổn định của hệ thống trong tài liệu tham khảo [7] Tác giả sử dụng các số liệu khác nhau từ tiêu chuẩn đảm bảo của N-1 và đề xuất một chương trình kiểm soát mô hình dự báo để đạt được một mức độ an toàn cao chống lại sự nhiễu loạn lớn từ một vấn đề được xem xét của thị trường, các tác giả của Milano et al [8] đã đề xuất các phương pháp kết hợp việc dự phòng và liên kết tính ổn định bằng cách sử dụng một lưu lượng liên kết điện năng tối ưu điện áp

Sựgia tăng dự kiến trong khả năng lắp đặt của các nguồn năng lượng tái tạo nhấn mạnh

sự cần thiết phải xem xét lại các đánh giá an toàn N-1 bằng các phương pháp nghiên cứu hiện có, để đưa vào tính toán tính chất lien tục cuả chúng, có thể có một tác động ảnh hưởng đến năng lượng được phân bố qua hệ thống từ quan điểm có lợi, Bouffard và Galiana [9] thiết kế một thị trường điện lực ngẫu nhiên hướng về vấn đề thanh toán bù trừ, cho phép thâm nhập cao hơn năng lượng gió khi đáp ứng các yêu cầu an toàn các tác giả Grijalva et al [10] định nghĩa các tập hợp các số liệu an toàn để nắm bắt các khía cạnh khác nhau của một dự án tích hợp gió quy mô lớn

Trong tài liệu tham khảo [11] các tác giả đã cố gắng để định lượng giá trị của gió tại các

sơ đồ làm việc khác nhau bằng cách giải quyết một vấn đề bắt buộc cam kết đơn vị tin cậy trong một thiết lập tương tự Wang và các công sự [12] xây dựng một chương trình cam kết ngẫu nhiên cho một hệ thống gió,nhiệt kết hợp, nhưng không có điều kiện rang buộc an toàn một cách rõ rang trong quá trình tính toán thiết kế thay vào đó, một bước tiếp theo được thực hiện để đo tần số các trường hợp tần số không an toàn Trong tài liệu tham khảo [13] một mô phỏng dựa trên nghiên cứu để đánh giá độ an toàn N-1 của hệ thống truyền tải của nước Phần Lan, trong trường hợp đồng thời bị sự cố lưới điện giảm đột ngột của hệ thống điện gió

Trong việc làm này,chúng tôi đề xuất một khuân khổ mới, cung cấp đầy đủ xác xuất khi thiết kế một N-1 chắc chắn làm xong trước ngày cho các đơn vị trong hệ thống với hiệu

quả cao của các nguồn năng lượng dao động lưu ý rằng, hầu hết trong các tài liệu liên quan đến công việc này, chúng ta lưu ý đến các biện pháp phòng chống cho mỗi máy phát được làm xong Kiểm tra bổ sung bao gồm cả những thay đổi trong mô hình cấu trúc liên kết, các giai đoạn chuyển đổi các thiết bị máy biến áp…v…v…không được đưa vào tính toán Chúng tôi thêm vào các hạn chế bảo mật, bắt nguồn từ các tiêu chuẩn của N-1, đến một DC tối ưu chương trình dòng điện [14] và xây dựng một vấn đề tối ưu hoá ngẫu nhiên với những hạn chế ngẫu nhiên,trong đó bao gồm một phiên bản xác suất của việc truyền tải hạn chế công suất chuyển đổi vấn đề này một cách dễ xử lý, chúng tôi gọi là cách tiếp cận tình huống [15,16] Trong tài liệu tham khảo [15] các tác giả cung cấp một giới hạn các số lượng tham số không chắc chắn ( trong trường hợp này là năng lượng gió ) rằng nên tạo ra để thay thế các hạn chế ngẫu nhiên với một số khó khăn ngẫu nhiên trong khi duy trì đảm bảo xác suất mong muốn kết quả của vấn đề này được giải quyết một cách dễ dàng bằng các công cụ hiện số [17]

Sự gần đúng này là hơi khác nhau từ việc tối ưu hoá ngẫu nhiên các sự gần đúng,và gần đây nó chỉ được áp dụng cho các vấn để liên quan đến hệ thống điện ( e.g…, Refs [18-21] ) trong phần còn lại của chương này, người ta cho rằng nạp nhiên liệu điện dao động tồn tại của năng lượng gió Thông thường như đề xuất của Papaefthymiou và K Klockli [22], dựa trên chuỗi mô hình Markov được sử dụng để tạo ra trường hợp năng lượng gió

Để đánh giá sự cần thiết của việc thiết kế bảo mật mạnh mẽ của N-1, chúng ta so sánh phương pháp của chúng tôi cùng với một sự gần đúng chuẩn, trong đó giả định rằng sơ

đồ vận hành quyết định hình thành của các máy phát điện chỉ dựa vào dự báo nằn lượng gió có thể sử dụng được việc thực hiện các phương pháp của chúng tôi là sau khi xác nhận thông qua mô phỏng Monte Carlo cho sự thực hiện các năng lượng gió khác nhau,

sử dụng một phiên bản sửa đổi của sơ đồ IEEE 30 thanh cái, lấy từ tài liệu tham khảo [23]

Phần 2 cung cấp các thiết lập của vấn đề và thông tin về xung quanh việc làm sao chúng tôi xử lý không chắc chắn, trong khi phần 3 nói rằng vấn đề tối ưu hoá kết quả, trongphần

4 chúng tôi cung cấp chi tiết phương pháp tiếp cận tình huống kỹ thuật tối ưu hoá và chuỗi Markov dựa trên mô hình năng lượng gió Phần 5 cho thấy cho thấy mô phỏng thu được kết quả để minh hoạ cho việc thực hiện các phương pháp tiếp cận của chúng tôi Cuối cùng phần 6 kết luận và cung cấp cái nhìn về những vấn đề mở

2 Thiết Lập Vấn Đề

Đối với việc phân tích các phần phụ tiếp theo, chúng tôi xét đến một mạng điện gồm các đơn vị phát điện NG, tải NL, Nl dòng Nb thanh cái và năng lượng gió Nw máy phát điện, cần lưu ý ở đây,trừ ra các truờng hợp có quy định khác, mà bởi các điều kiện dòng,chúng tôi đề cập đến cả hai : các dòng và máy biến áp

2.1 Phương Trình Dòng Năng Lượng

Như đã đề cập, một công thức dòng điện DC được xây dựng [24], từ đó nó dẫn đến sự trình bày tuyến tính của một sơ đồ, đảm bảo độ lồi của việc khai thác tối ưu hoá vấn đề

Nó dựa trên các giả định rằng:

1 điện áp tại tất cả các bus của sơ đồ vẫn không đổi tại 1 p.u

2 các tổn thất điện năng là lãng phí

3 Sinθkm≈ θkm , trong đó θkm là góc radian trên nhánh kết nối các bus k và m

Kết quả phương trình dòng năng lượng cho tất cả các dòng năng lượng k→m được cho bởi:

Pf =Bfθ (1)

Trong đó Pf ∈¡ N

l là một vector có chứa dòng năng lượng Pkm của mỗi dòng, θ ∈¡ N

b

biểu thị góc điện áp của mỗi bus, và Bf∈¡ N

l×N b

Các năng lượng tích cực đi vào tại mỗi bus k được cho bởi Pk=

k

km m

P

∈Ω

∑ trong đó

k

Ω = { m ∈ {1,………,Nb}| k→m là một dòng} trong một ký hiệu nhỏ gọn hơn

P=BBUSθ (2)

Trong đó P∈¡ Nb là một vector đi vào sơ đồ Pk , và BBUSθ ∈¡ N b×N b

Biểu thị các nút vào ma trận của sơ đồ

Trong phần tiếp theo,chúng tôi loại trừ θ từ phương trình (1) , (2) để trình bày dòng năng lượng Pf như một chức năng của năng lượng đi vào P Lưu ý rằng BBUS là đáng chú ý,với nhóm Nb-1, vì lý do đó nó không thể đảo ngược lại, và phương trình (2) không thể giải quyết trực tiếp cùng với khía cạnh từ θ Vì vậy để có được một giải pháp, một trong những phương trình trong phương trình (2) bị loại bỏ, và các góc độ liên quan đến dãy này được chọn là một góc tài liệu tham khảo và được cài đặt với zero Để không mất tính tổng quát dòng cuối cùng của phương trình (2) được loại bỏ, đó là : θN b= 0 để cho sau

đó B: BUS∈¡ (N b− × 1) (N b− 1), θ: ∈¡ N b− 1, N b 1

P: ∈¡ − biểu thị phần còn lai của BBUS, θ, và P,

tương ứng, sau đó : P: = B: BUS-1

θ: (3) Thay thế phương trình (3) vào phương trình (2) với θ =[ 0]θ: T, chúng ta có

Pf = Bf

1 US

0

B

: :

(4)

Phương trình (5) có thể viết lại như sau

P = CG PGen+ Cw P w− CL P L

w

,

G

GEN

L

P ∈¡ biểu thị cho năng lượng được sinh ra, năng lượng gió được nạp và tải tương ứng, các ma trận CG,Cw,CL thuộc kích thước phù hợp, và yếu tố của họ ( i,j) là ‘1’ nếu máy phát điện j (tương ứng gió điên/tải) được kết nối với các thanh cái của i , và các điểm gốc khác

2.2 Sự Xem Xét Động Lực

Sự mất điện hoặc một sai lệnh của năng lượng gió từ giá trị dự báo của nó, sẽ dẫn đến không phù hợp các thế hệ tải, sẽ tạo ra độ lệnh tần số và kích hoạt năng lượng dự trữ của

hệ thống để thực hiện được việc này vào tính toán trong công thức của chúng tôi, chúng tôi chú ý đến một trạng thái ổn định mới được đạt đến, do tác động của hành động kiểm soát tần số thứ cấp đây là một giả định hợp lý, kể từ khi các quá trình tối ưu hoá được thực hiện trong các bước được tính theo thời gian và do đó độ lệnh tần số giải quyết một lần nữa bằng không do triển khai dự trữ tần số thứ cấp do đó chúng ta định nghĩa d∈

G

N

¡ là một vector phân phối trong lượng dư thừa của năng lượng giữa các đại lượng phát sinh trong điều khiển tần số nếu một máy phát điện không đóng góp trong quá trình điều

khiển tần số, các yếu tố tương ứng vector d là số không Cho Pmismatch∈¡ tương ứng cho tổng số không phù hợp thế hệ tải, có thể xảy ra do sự khác biệt giữa gió trên thực tế từ giá trị dự báo của nó và do tác động của thế hệ mất mát tải sau đó trạng thái cân bằng mới hoạt động của các máy phát điện do sự điều khiển tần số thứ cấp sẽ được :

PGen=PG-d.Pmismatch trong đó PG∈¡ N G là sự sinh ra tương ứng với dự báo năng lượng gió

w

w

f N

Phương trình (5) có thể viết lại như sau : P = CG(PG− d Pmismatch) + Cw P w− CL P L

Pmismatch phụ thuộc vào mỗi lần trên lượng hao phí chúng tôi xét đến đối với sự phân tích

an toàn N-1, chúng tôi xét đến một vào thành phần hao phí riêng lẻ, tuy nhiên một dòng hao phí có thể dừng chạy một bus,và do đó có nhiều tải đơn lẻ hơn,máy phát điện hoặc năng lượng gió hao phí được đưa vào tính toán, nói tóm lại trong các trường hợp, thế hệ tải không phù hợp được xác định bởi :

Pmismatch= (w w) w

w

1

1 P f out out out

P P L P G P

N − − + +

×

Trong đó P P Pout L , out G , wout,∈¡ tương ứng cho tổng tải,sự phát điện thông thường hoặc là

sự hao hụt phát năng lượng gió có thể xuất hiện

2.3 Xử Lý Không Chắc Chắn

Có 2 nguyên nhân của sự không chắc chắn trong việc lập công thức của các phần trước thứ nhất kể tới lượng hao hụt thành phần, trong khi cái thứ hai là không chắc chắn trong việc cung cấp năng lương gió Vì vậy, chúng ta cần phải xác định những cách thức không chắc chắn để xử lý,hay nói cách khác,trong ý nghĩa điều độ, chúng tôi sẽ tính toán chặt chẽ theo hướng hao hụt thành phần và sự dao động năng lượng gió Lưu ý rằng ở đây không tải không chắc chắn được xét đến Mặc dù một khuôn khổ đưa ra có thể mở rộng bao gồm các trường hợp như vậy là hợp lý

Với hao hụt thành phần,sự gần đúng các trường hợp xấu nhất được đồng ý Đó là chúng tôi liệt kê tất cả các hao hụt thành phần và thiết kế một chương trình thế hệ thiết thực với khía cạnh của tất cả các trường hợp ngoài ra, một vấn đề tính toán đơn giản có thể đạt được nếu chỉ một vài hao hụt được lựa chọn theo một chỉ số tin cậy [25] Theo sự gần đúng tương tự cho năng lượng gió không chắc chắn là không phù hợp, bởi năng lượng gió có giá trị từ một phân bố với sự giúp đỡ không giới hạn, mặt khác, việc lựa chọn tuỳ

ý một số giá trị rất cao cho cung cấp giới hạn năng lượng gió có thể dẫn tới những tới kết luận không tốt hoặc là trong việc tối ưu tính toán,về tính khả thi của vấn đề Vì vậy,chúng tôi theo một phuơng pháp tiếp cận và tinh toán một chương trình hình thành để các giới hạn của các tổ máy phát điện và hạn chế truyền tải công suất được hài long với xác suất cao, để đạt được điều này, một kĩ thuật dựa trên tình huống được thông qua [15]

3.Vấn Đề Lập Công Thức

Mục tiêu chính là thiết kế một phí tổn tối thiểu nhanh chong trước ngày điều độ trong khi thoả mãn hạn chế an toàn N-1 trong một ý nghĩa xác suất Đối với phân tích an toàn N-1, chúng tôi đưa vào tính toán một vài tổn thất riêng lẻ bao gồm liên quan đến việc hoán đổi các dòng,tải máy phát điện hay máy phát điện năng lượng gió Được biểu thị như sau I={0,1……Nout} là các chỉ số hao hụt, trong đó chỉ số ‘0’ tương ứng với trường hợp

không hao hụt,và Nout đại diện cho tổng số của sự hao hụt đó là Nout =

w

G L l

Chúng tôi dựa vào các chỉ số trên i để làm nổi bật sự phụ thuộc các biến của chúng tôi

và hằng số trên hao hụt tương ứng biến Pi G biểu thị phần còn lại của PG một lần một hoặc nhiều máy phát điện được đóng đúng với hao hụt i

Chúng ta xét đến một mức tối thiểu Nt = 24 với các bước theo thời gian và dựa vào các chỉ sô dưới t trong ký hiệu của chúng tôi để mô tả giá trị của số lượng quy định tại các phần trước cho một thời gian nhất định, ví dụ t= 1,……,, Nt, cho C C1, 2∈¡ N G được vector chi phí tạo ra Và bởi C2 biểu thị một ma trận đường chéo với vector C2 trên đường chéo, các kết quả vấn đề tối ưu hoá được ghi bởi :

1

{min, }Nt

t

1

N

G t G t G t

=

+

∑

Với chủ đề

1 Xác định điều kiện ràng buộc

Những hạn chế tương ứng với các trường hợp trong đó năng lượng gió là như nhau với các giá trị dự báo của nó

Hạn chế cân bằng năng lượng: đối với tất cả t=1,…………,Nt và i=0

11 b( , w w, ,)

N CGPG t C P t CLPL t

Hạn chế này mã hoá một thực tế là sự cân bằng năng lượng trong sơ đồ nên luôn luôn làm thoả mãn khi Pw ,t=Pw,f t, nói cách khác, tổng của tất cả các điều độ của các đơn vị thông thường và tổng sản lượng năng lượng gió nên phù hợp với tổng trọng phụ tải của

hệ thống

Sự sinh ra và truyền tải công suất hạn chế: đối với tất cả các t=1,……,Nt và tất cả i I∈

(9)

Trong đó

Và

Và [.]n−1 biểu thị sự việc là chúng tôi loại bỏ dòng cuối cùng của đại lượng trong dấu

ngoặc đơn Pmini , Pi max biểu thị công suất phát điện tối thiểu và tối đa của từng đơn vị ,

và Pi linebiểu thị các giới hạn dung lượng đường truyền

2 Điều kiện ràng buộc xác suất

Phát điện và sự giới hạn khả năng truyền tải: Đối với tất cả các t = 1 , ,N : t

Trong đó

Biến i

d phụ thuộc vào sự tổn thất của i , vì trong trường hợp bị mất điện , các yếu tố của

nó được tính toán lại để chúng cộng lại thành một Ma trận B và phụ thuộc vào tổn i f

thất của i từ đó họ cả hai có số lượng cấu trúc liên kết liên quan đến với nhau Cụ thể , đối với một tổn thất dòng không tác động lên thanh cái, f (N l 1) N b

i

( 1) ( 1)

f

N N

B

B: ∈¡ − × − trong khi đối với một tổn thất dòng trên thanh cái, và

N N

f

B

f

N N B

B: ∈¡ − × − Đối với sự phát điện hoặc tổn thất phụ tải duy nhất, i 0 N N l b

f f

f

N N

B: =B: ∈¡ − × − Điều kiện ràng buộc đầu tiên trong xác suất bao gồm một phiên bản xác suất của sự giới hạn dung lượng truyền dẫn tiêu chuẩn cho mỗi tổn thất i ý nói rằng các dòng điện vẫn còn trong giới hạn dung lượng đường truyền ( được mã hóa bởi P: i line ) với xác suất ít nhất 1- ε đối với sự phân bố năng lượng gió Nếu,Ví dụ, ε = 0,1 , phương trình điều kiện ràng buộc ( 10) sẽ được thoả mãn với xác suất 0.9.Điều kiện ràng buộc thứ hai cung cấp đảm bảo rằng kế hoạch điều độ sự phát điện sẽ không có kết quả dẫn đến một điểm vận hành mới bên ngoài các giới hạn công suất phát điện

Lưu ý rằng chúng ta đang giả định ở đây là tất cả các khả năng không theo lịch trình có sẵn như dự trữ , được biểu diễn bởi d i is

i

m match

P và điều này là đủ để đảm bảo để không xuất hiện điều này có thể xảy ra Vì vậy, khi một kết quả trong một tổn thất phát điện phụ tải không phù hợp, điều kiện ràng buộc cân bằng năng lượng là thoả mãn với phương trình ( 8 )

Các vấn đề kết quả của phương trình (7) - ( 10 ) là một chương trình ngẫu nhiên với khả nang có thể điều kiện ràng buộc và một hàm mục tiêu bậc hai Để có được một giải pháp cho vấn đề này , chúng tôi sử dụng phương pháp mô tả trong phần sau