BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Mạnh Cường NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP, ỨNG DỤNG VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1, GS TS Lã Văn Út 2, TS Trương Ngọc Minh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi … giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU 1) Đặt vấn đề Hệ thống điện (HTĐ) truyền tải có xu hướng ngày kết nối mở rộng phát triển phức tạp so với trước Tuy nhiên, lực truyền tải lưới điện vơ hạn Có nhiều rào cản kỹ thuật khả tải lưới điện như: giới hạn phát nóng, giới hạn sụt áp giới hạn theo điều kiện ổn định HTĐ Vì đầu tư ngày khó khăn nên HTĐ ngày thường có xu hướng khai thác tối đa giới hạn truyền tải cho phép để đảm bảo toán kinh tế hệ thống Trong giới hạn truyền tải theo điều kiện kỹ thuật, giới hạn theo điều kiện ổn định khó xác định nhất, đa dạng chất tượng ổn định Vấn đề thường đặt là: trạng thái vận hành HTĐ cịn cách giới hạn ổn định (GHƠĐ) bao xa, làm để định lượng mức độ ổn định trạng thái này? Trong vận hành, phương thức điều chỉnh chế độ liên quan đến thay đổi đặc trưng ổn định tương quan với chế độ giới hạn cho phép Khi hoạt động theo chế thị trường điện (TTĐ), phương thức giao dịch xuất liên tiếp đa dạng, tốn quản lý hệ thống xét đến GHƠĐ cần giải thường xuyên Trong thiết kế quy hoạch HTĐ, việc lựa chọn cấu trúc sơ đồ, phương án đặt thêm thiết bị nâng cao ổn định hệ thống cần xem xét đến hàng loạt tình chế độ khác liên quan đến GHÔĐ Để đáp ứng cho tốn cần có phương pháp tính tốn nhanh, thuận tiện chế độ GHƠĐ, xét hàng loạt kịch phương thức khác thời gian ngắn 2) Mục tiêu luận án Đề tài luận án đặt với mong muốn góp phần nghiên cứu phương pháp tính tốn nhanh chế độ GHƠĐ HTĐ Phương pháp tính tốn nhằm ứng dụng cho HTĐ sơ đồ phức tạp nói chung HTĐ Việt Nam nói riêng 3) Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu luận án HTĐ phức tạp Mơ hình lưới điện tính toán kiểm tra gồm: sơ đồ đơn gản Bus, Ward & Hale bus, IEEE 14 Bus, IEEE 39 Bus; áp dụng tính tốn cho HTĐ Việt Nam gồm sơ đồ HTĐ 500-220-110 kV năm 2016 Miền Tây Nam Bộ 138 Bus 288 nhánh, sơ đồ HTĐ 500-220 kV Việt Nam năm 2020 gồm 122 Bus 194 nhánh Về phạm vi nghiên cứu, luận án nghiên cứu khía cạnh GHÔĐ tĩnh HTĐ (Steady State Stability Limit), nhằm đánh giá mức độ ổn định trạng thái hành Các kịch tiến đến GHÔĐ bao gồm: giới hạn công suất nguồn bơm vào nút; giới hạn công suất tải rút khỏi nút; giới hạn công suất truyền tải từ nút nguồn cho trước tới nút tải cho trước hệ thống Từ giới hạn xác định hệ số dự trữ ổn định tĩnh trạng thái hành 4) Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn: - Luận án đề xuất phương pháp tính tốn để xác định GHƠĐ cơng suất nút hệ thống giới hạn truyền tải song phương cặp nút nguồn – tải Phương pháp thực tính tốn giải tích lúc cho hàng loạt kịch khác nhau, giảm đáng kể thời gian tính tốn áp dụng cho HTĐ có sơ đồ phức tạp - Phương pháp xác định GHÔĐ đề xuất luận án thuộc nhóm phương pháp ngoại suy gần So với phương pháp khác loại có độ xác cao hơn, đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế Ngoài ra, độ xác cao chế độ ban đầu gần với giới hạn Ưu điểm phù hợp với ứng dụng khảo sát hệ thống trạng thái nguy hiểm - Phương pháp có ý nghĩa thực tiễn hoạt động điều độ HTĐ vận hành TTĐ, giúp theo dõi giám sát, phát phương thức vận hành phương thức giao dịch gây suy giảm ÔĐ, đưa giải pháp vận hành nâng cao GHÔĐ chung hệ thống 5) Các kết mới: - Luận án đề xuất phương pháp gọi Phương pháp Ngoại suy tiệm cận (NSTC) tính tốn GHƠĐ cơng suất (CS) nút HTĐ dựa lý thuyết hình học giải tích khơng gian Phương pháp áp dụng tính tốn đồng loạt cho tất nút theo cơng thức giải tích mà khơng cần phải làm nặng chế độ vận hành tính lặp (là cách phổ biến nay) - Trên sở phương pháp đề xuất, luận án xây dựng thuật tốn mơ đun chương trình ứng dụng, đặc biệt thuận lợi kết hợp với chương trình tính tốn phân tích chế độ xác lập (CĐXL) HTĐ - Phương pháp NSTC đề xuất luận án áp dụng để dễ dàng tính tốn giới hạn công suất truyền tải song phương tăng thêm nút nguồn nút tải cho trước HTĐ (trên quan điểm ổn định tĩnh), áp dụng hiệu hoạt động TTĐ - Phương pháp NSTC đề xuất luận án tính GHƠĐ dựa thông tin đầu vào thông số trạng thái hành HTĐ Do vậy, có nhiều ý nghĩa cho hướng nghiên cứu cảnh báo điều khiển ổn định HTĐ thời gian thực 6) Bố cục luận án Nội dung luận án bao gồm: Mở đầu; Chương 1: Tổng quan ổn định HTĐ vấn đề nâng cao GHÔĐ; Chương 2: Phương pháp NSTC tính tốn nhanh GHƠĐ sở thông số trạng thái CĐXL; Chương 3: Nâng cao ổn định HTĐ điều kiện hoạt động TTĐ; Chương 4: Nghiên cứu mở rộng ứng dụng phương pháp Ổn định HTĐ Power System Stability NSTC giám sát điều khiển ổn định Hình 1.5 HTĐ; Chương 5: Kết bàn luận; Kết Ổn định góc lệch Ổn định điện áp Angle Stability Voltage Stability luận kiến nghị TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH 1.1 Vấn đề ổn định HTĐ phân loại ổn định Ổn định thuộc tính HTĐ, cho phép hệ thống giữ Ổn định với kích động nhỏ Small-Signal Stability Mất ổn định phi chu kỳ Nonoscillatory Instability Ổn định ngắn hạn Transient Stability Ổn định với kích động lớn Large Disturbance Stability Mất ổn định dao động Oscillatory Instability Ổn định tĩnh Steadystate Stability Ổn định trung hạn Mid-term Stability Ổn định động Dynamic Stabilit y Ổn định dài hạn Long-term Stability trạng thái vận hành cân điều kiện bình thường (với kích động nhỏ ngẫu nhiên) trở lại trạng thái cân sau chịu tác động kích động lớn Nghiên cứu ổn định yêu cầu bắt buộc tất HTĐ, yêu cầu đảm bảo ổn định liên quan trực tiếp đến việc thiết kế hệ thống truyền tải điện, xây dựng phương thức vận hành giải pháp khắc phục cố Mỗi loại ổn định có đặc trưng riêng, phương pháp nghiên cứu riêng, phân loại ổn định HTĐ sơ đồ hình 1.5 1.2 Tổng quan phương pháp đánh giá ổn định HTĐ Để kết luận hệ động học có ổn định hay khơng, cần dựa tiêu chuẩn đánh giá ổn định Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov coi tiêu chuẩn chung sử dụng rộng rãi, có việc nghiên cứu ổn định HTĐ Định nghĩa dạng toán học sau Xét hệ thống mơ tả hệ phương trình vi phân (viết dạng vec tơ): x  f ( x ); t  0; x  R n : x  ( x , x , , x n ) (1.1) Hàm f đạo hàm riêng theo biến x1, x2, …, xn liên tục Gọi nghiệm hệ x(t) = (t), xác định điêu kiện đầu t 0: x(t0)=(t0) Hệ thống tương ứng với (1.1) gọi ổn định theo Liapunov với  > tồn  > cho nghiệm x(t) với điều kiện đầu thỏa mãn bất đẳng thức |x(t0) (t0)| <  với t ≥ t0 ln có |x(t) - (t)| <  Nếu có số 0 mà với khơng tồn số  cho dù  chọn nhỏ tùy ý hệ thống gọi khơng ổn định Hệ thống gọi ổn định tiệm cận ổn định theo Lyapunov, ngồi tất nghiệm x(t) với điều kiện đầu đủ gần (t0), t → + ∞ tiến đến (t): lim | x ( t )  ( t ) | t   Từ lý thuyết chung, Lyapunov đưa hai phương pháp cụ thể để đánh giá ổn định gọi phương pháp thứ phương pháp thứ Trong phương pháp thứ khó áp dụng khó tìm hàm V thay cho hàm f(x) Đa số nghiên cứu ổn định HTĐ dựa phương pháp thứ Lyapunov Theo phương pháp thứ nhất, ổn định kích động nhỏ hệ thống phi tuyến xác định thông qua nghiệm hệ xấp xỉ bậc nhận từ hệ (1.1): (1.2) x  Ax Trong đó: ∆x(t) = x(t) - x(t0) Ma trận A nhận qua phép xấp xỉ tuyến tính hàm f xung quanh điểm cân x(t0)  a 11 a 12 a a A   21 22   a n1 a n   f1  x a 1n    f a n    x     a nn    f n   x  f1 f  x x n   f f  x x n     f n f n  x  x n  Dễ thấy, ma trận A định thức Jacobi hệ phương trình trạng thái hệ thống điểm cân bằng: f(x) = 0; Phương trình đặc trưng D(p) hệ có bậc n, viết dạng chung: D(s) = a0sn + a1sn-1 +… aisn-i +…+ an-1s + an = (1.3) Trong mơi trường phức, PTĐT có n nghiệm Phương pháp xấp xỉ bậc Lyapunov phát biểu sau: - Nếu nghiệm PTĐT có phần thực âm hệ thống (1.2) ổn định tiệm cận suy hệ thống phi tuyến ban đầu (1.1) ổn định tiệm cận điểm cân - Nếu nghiệm PTĐT có phần thực dương hệ thống (1.2) khơng ổn định hệ (1.1) không ổn định điểm cân - Nếu nghiệm PTĐT có phần thực không, phương pháp xấp xỉ bậc không đưa kết luận ổn định hệ thống ban đầu (1.1) Do việc xác định nghiệm PTĐT (1.3) khó khăn nên thực tế, dựa tảng lý thuyết ổn định Lyapunov, nhiều tác giả đưa tiêu chuẩn thực dụng, dễ sử dụng để đánh giá ƠĐ HTĐ Có thể kể đến tiêu chuẩn đại số Hurwitz (lập ma trận Hurwitz tính định thức con), tiêu chuẩn tần số Mikhailov (khảo sát số gia tổng góc véc tơ D(jω)), tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ Det(J) < 1.3 Tiêu chuẩn xác định trạng thái GHÔĐ HTĐ Về nguyên tắc, dựa tiêu chuẩn đánh giá ổn định HTĐ tìm trạng thái GHƠĐ tiến hành làm nặng chế độ hành tiêu chuẩn bị vi phạm Các tiêu chuẩn chế độ giới hạn sử dụng nhiều là: - Một nghiệm PTĐT nằm trục ảo, nghiệm lại phía trái trục ảo (tiêu chuẩn chung) - Với HTĐ vận hành thiết bị điều chỉnh tự động (ĐCTĐ) làm việc tốt áp dụng tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ tiêu chuẩn chế độ giới hạn An = hay Det(J)=0 Trong An số hạng tự PTĐT Det(J) định thức Jacobi hệ phương trình CĐXL Ngồi cịn số tiêu chuẩn thực dụng khác để xác định GHÔĐ HTĐ như: tiêu chuẩn Markovits (trạng thái GHÔĐ ∂ΔP/∂δ = 0, ∂ΔQ/∂U = 0); Phân tích độ nhạy dựa khai triển ma trận SVD (Singular Values = 0); Phân tích đường cong P-V; Chỉ số ổn định phụ tải (L = 1); Góc công suất (α = 90o) Qua nghiên cứu tổng quan phương pháp để tìm GHƠĐ HTĐ, thấy chưa có phương pháp hiệu để đánh giá nhanh mức độ ổn định HTĐ phức tạp Mỗi nhóm phương pháp có hạn chế bản: - Nhóm phương pháp thứ dựa sở tính liên tiếp CĐXL, có nhiều cải tiến cần đến khối lượng tính tốn lớn Để áp dụng phương pháp luôn cần can thiệp chun gia tính tốn (để thiết lập mơ hình, lựa chọn kịch ) cho dù có phần mềm trợ giúp - Nhóm phương pháp thứ 2, thực chất dự báo gần trạng thái giới hạn theo thông tin trạng thái hành Do kết có độ xác khơng cao Tuy nhiên, phương pháp sử dụng thực tế ý nghĩa so sánh Vấn đề phương pháp nhóm phương pháp thứ nâng cao độ xác phép dự báo nhằm hướng tới ứng dụng on-line tính tốn GHƠĐ HTĐ phức tạp Đây hướng nghiên cứu luận án, nhằm đưa phương pháp dự báo trạng thái GHÔĐ cách định lượng có độ xác chấp nhận 1.4 Các biện pháp nâng cao ổn định cho HTĐ vai trị tốn xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định Việc nâng cao ổn định cho HTĐ thực chất nâng cao độ dự trữ ổn định trạng thái vận hành Khoảng cách đến chế độ giới hạn nhỏ khả xảy ổn định thấp, hệ thống coi có mức độ ổn định cao Như biện pháp nâng cao ổn định cần phải mở rộng thêm miền ổn định tránh kịch tiến đến GHÔĐ Trường hợp thứ thường liên quan đến khả thay đổi cấu trúc hệ thống, trường hợp sau tương ứng với biện pháp vận hành Các giải pháp nâng cao ổn định dựa việc thay đổi cấu trúc hệ thống thường liên quan đến việc lắp đặt thêm thiết bị điều chỉnh điều khiển PSS tổ máy phát, thiết bị FACTS lưới điện Luận án quan tâm nhiều đến giải pháp vận hành để nâng cao ổn định HTĐ Giới hạn truyền tải phụ thuộc rõ vào kịch làm thay đổi chế độ, dẫn đến ổn định hệ thống Như vậy, trình vận hành tránh kịch nguy hiểm hệ thống ln trạng thái an tồn cao, với dự trữ ổn định lớn Có thể lựa chọn phương thức "tránh xa" biên giới miền giới hạn, để đảm bảo ln có khoảng cách xa tính từ điểm trạng thái VH đến GHƠĐ PHƯƠNG PHÁP NGOẠI SUY TIỆM CẬN TÍNH TỐN NHANH GHƠĐ TRÊN CƠ SỞ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CĐXL Trên sở khái niệm góc cơng suất cách tiếp cận cơng trình L.Wang A A Girgis, luận án nghiên cứu phương pháp đánh giá định lượng GHÔĐ theo trị số thực thông số (công suất - MW) Phương pháp đề xuất thuộc nhóm tính tốn theo thơng số trạng thái (ngoại suy) nên có tốc độ tính tốn nhanh, cho phép tính hàng loạt kịch công suất nút 2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp NSTC xác định GHƠĐ Xét hệ n phương trình không gian n chiều với tham số  = (1,2, ,n)T, biểu diễn dạng véc tơ hàm: F(X,λ) = Trường hợp có thơng số biến thiên, với hệ thống có n biến trạng thái biểu Gradient véc tơ diễn dạng sau: f ( x , x , , x n ,  )  f ( x , x , , x n ,  )  f i ( x , x , , x n ,  )  f n ( x , x , , x n ,  )  Tangent véc tơ Space surface α (2.3) b Space surface Gradient véc tơ a c Space curve 90 o Theo lí thuyết hình Tangent Space Hình 2.5 giải tích khơng gian, véc tơ curve phương trình thứ i tương ứng với mặt cong không gian, ký hiệu Sfi, phương trình cịn lại tương ứng với đường cong không gian ký hiệu Cfi Nghiệm hệ (2.3) tọa độ điểm cắt đường cong với mặt cong (hình 2.5) Điều kiện để mặt Sfi tiếp xúc với mặt cong Cfi chứng minh trùng với điều kiện Det(J)=0 cơng trình L.Wang A A Girgis [32] Có thể tóm lược sau f   f f Ma trận Jacobi hệ thiết lập từ hệ có dạng sau: Theo lý thuyết hình giải tích khơng gian, điểm cắt mặt Sfi có véc tơ pháp tuyến với thành phần xác định f f f sau: f  ( i , i , , i ) i x x  x   f J   x1    fn  x1 , ,  x x n  f f  , , x x n     f n f , , n  x x n  x n f1 ( x , x , , x n s )  *1 f ( x , x , , x n s )  *2 f i ( x , x , , x n s )   * f n 1 ( x , x , , x n s )   n 1 (2.12.a) Trong mơ hình CĐXL hệ thống điện hàm vế trái gọi hàm đặc tính cơng suất nút Mỗi hàm tương ứng với thơng số cơng suất nút, ví vụ fi tương ứng với CSTD nút k: Pk = fi(x1, x2, , x2n-s) Trong không gian biến trạng thái, hàm Pk hàm 2ns biến có ràng buộc, hệ phương trình CĐXL (2.12a), với tham số biến thiên λ Khi λ = λ*, hàm có giá trị PK* =fi(M0) M0 điểm cắt mặt cong fi(x1, x2, , x2n-s) - λ*=0 đường cong thiết lập phương trình cịn α lại điểm (cũng M nghiệm hệ phương trình CĐXL) Khi tham số biến thiên, Hình 2.6: Điểm cắt M vị trí ban α M mặt cong dịch chuyển đầu (a) giới hạn ổn định (b) đường cong M không thay đổi vị trí (các phương trình khơng chứa tham số), điểm cắt dịch chuyển dọc theo đường cong Hàm Pk đạt cực đại vị trí điểm cắt M dịch theo đường cong (hình 2.7) Xét véc tơ pháp tuyến mặt cong điểm cắt M0 Véc tơ có thành phần đạo hàm riêng hàm fi theo 12 biến tính M0, với chuẩn Ơclid tính theo cơng thức: 2  fi   fi   fi          fi   x x    1  2  x 2n s  Về ý nghĩa, fi biểu thị tốc độ biến thiên giá trị hàm fi điểm tọa độ M0 dịch chuyển theo hướng pháp tuyến mặt cong, hướng hàm fi thay đổi giá trị nhanh Khi điểm điểm M0 di chuyển theo hướng véc tơ lệch với véc tơ pháp tuyến góc α đạo hàm theo hướng fi tính theo cơng thức sau: (2.12.b) f i  fi cos  Hàm Pk cực đại fi đạo hàm 0, Hình 2.7 lúc HTĐ giới hạn ổn định với det(J)=0 Hàm fi(M) có dạng M(λ) phức tạp (tương ứng M0 M1 với hàm đặc tính cơng suất nút 2.5 , 2.6) Để tính giá trị, lý thuyết cần xác định tọa độ M(λ) từ hệ phương trình CĐXL cho giá trị cụ thể tham số λ Tuy nhiên, ta quan tâm đến giá trị nó, M trở thành điểm tiếp xúc mặt cong với đường cong, lúc đạo hàm theo hướng có giá trị (hình 2.7) Giá trị cơng suất Pk = fi(M1) giới hạn cơng suất nút k theo điều kiện ổn định Vấn đề đặt tiệm cận gần đường cong để xác định giá trị cực đại? Đó ý tưởng đề xuất phương pháp xác định gần giới hạn công suất nút theo điều kiện ổn định 2.3 Xây dựng biểu thức xấp xỉ xác định giới hạn công suất nút HTĐ theo điều kiện ổn định a Trường hợp thông số i biểu thị thay đổi công suất tác dụng nút i 13 Như nói, đặc tính cơng suất có dạng phức tạp Theo (2.5) ta có: P  y U cos   n 1 y U U sin(     ) i ii i ii  ij i j i j ij j1 j i Tuy nhiên, từ biểu thức thấy hàm đặc tính tương ứng với phương trình cân CSTD nút tổng hàm hình sin góc lệch  (khi coi điện áp Uj thay đổi theo CSTD) Hơn nữa, có thành phần tính theo i thay đổi mạnh Thật vậy, với giả thiết công suất tất nút khơng thay đổi, Pi thay đổi có nút cân có biến động cơng suất Góc lệch i tương ứng với thành phần trao đổi công suất nút i nút cân bằng, thay đổi mạnh Các góc lệch pha khác, tương ứng với trao đổi công suất nút cịn lại, biến động nhỏ Nói khác coi gần hàm đặc tính cơng suất tổng thành phần hình sin góc lệch δi biến đổi hàm tương đương với biến i dạng: Pi = Pii+Pmsin(i-φ) (2.13) Trong đó, Pm  biên độ góc dịch pha hàm sin tiệm cận, cần phải xác định Thành phần Pii = yiiUi2cosψii không đổi Với HTĐ thực tế, góc ψii ≈ -900 nên Pii có giá trị nhỏ (có thể bỏ qua tính tốn số) b Trường hợp thơng số i biểu thị thay đổi công suất phản kháng nút i Tương tự, với đặc tính CSPK theo (2.6): n 1 Q i   y ii U i2 sin  ii   y ij U i U j cos(  i   j  ij ) (2.13-a) j1 j i Do công suất phản kháng bơm vào nút i chủ yếu làm thay đổi điện áp Ui nút i, góc j điện áp nút khác thay đổi Khi đó, đường cong đặc tính cơng suất Qi gồm hàm bậc theo Ui nên xấp xỉ với hàm bậc đơn giản: Qi =aUi2 + bUi +c (2.14) Trong đó: a ,b ,c số tiệm cận cần xác định Thực chất, giả thiết hoàn toàn tương ứng với cách chấp nhận áp dụng tiêu chuẩn Markovits cho nút Theo tiêu chuẩn Markovits hệ thống GHÔĐ đạo hàm riêng 14 ∂ΔPi/∂δi = ∂ΔQi/∂Ui = 0, thực chất quan tâm đến thay đổi Pi theo i Qi theo Ui 2.4 Tìm giới hạn cơng suất tác dụng Theo lý thuyết hình giải tích, vec tơ pháp tuyến ∆fi có thành phần đạo hàm theo hướng biến Thành phần theo hướng tiếp tuyến đường cong xác định theo cơng thức f i cos  , đạo hàm hàm biểu diễn đường cong Pi Theo (2.5), giả thiết tiệm cận hàm Pi(i) dạng: y = Pm sin (δ-φ) + Pii Các tham số cần tìm Pm,  Ta có phương trình sau với thông số CĐXL hành (khi CSTD nút xét có trị số P*): y = Pmi sin (δi-φ) + Pii = Pi* (2.15) y' = Pmicos (δi-φ) (2.16) Theo (2.12.b), trị số đạo hàm: y' = ||  fi ||.cos(αi) (2.17) Do đó: Pmicos (i-) = ||  fi ||.cos(i) (2.18) Bình phương vế phương trình (2.15), (2.16) cộng lại ta (2.19) được: Pmi2  (Pi *  Pii )  [|| f i || cos( i )]2 * Pmi  ( Pi  Pii )  [|| f i || cos(  i )]2 (2.20) Coi gần đúng: Pii ≈ 0, ta có: * Pmi  (Pi )  [|| f i || cos(  i )]2 (2.21) Công thức (2.21) cho phép xác định giá trị công suất giới hạn nút i dựa thông số trạng thái chế độ xác lập: Pi* công suất bơm vào nút i;  f i chiều dài véc tơ gradient mặt cong; góc i góc véc tơ gradient tiếp tuyến, tính sở ma trận Jacobi CĐXL 2.5 Tìm giới hạn cơng suất phản kháng Đặc tính CSPK có dạng xấp xỉ bậc theo điện áp nút: y = aUi2 + bUi + c với a, b, c số tiệm cận phải tìm Ở ta có thành phần khơng đổi c = điện áp nút CSPK khơng cịn tiêu thụ Giả thiết biết Ui CĐXL (tương ứng với lúc CSPK nút Q = Qi*) Ta có phương trình sau: 15 y = aUi2 + bUi= Qi* y' = 2aUi + b = ||  fi ||.cos(αi) Ta có: b = ||  fi ||.cos(αi) - 2aUi , thay vào phương trình Qi*: aUi2+[||  fi ||.cos(αi) - 2aUi].Ui = Qi* -aUi2+ ||  fi ||.cos(αi).Ui = Qi* Suy ra: * || f i || cos( i ).U i  Q i a U 2i (2.26) b = ||  fi ||.cos(αi) - 2aUi Điện áp giới hạn (lúc y'=0): U = -b/2a (2.28) Thay vào biểu thức y ta nhận giá trị cực đại: ymax = -b2/4a (2.29) ; Hay viết dạng đầy đủ : * || f i || cos(  i ).Ui  Qi ) U 2i * Q  || f i || cos(  i ).U i i U 2i (|| f i || cos(  i )  2.Ui Q mi  Biểu thức (2.29) trị số giới hạn CSPK nút i Quá trình tính tốn hồn tồn dựa vào thơng số trạng thái chế độ xác lập hành HTĐ 2.6 Xây dựng chương trình tính tốn GHƠĐ HTĐ theo phương pháp NSTC Dựa biểu thức mục 2.4, 2.5, xây dựng thuật toán nhằm xác định trị số giới hạn công suất nút theo điều kiện ổn định sơ đồ hình 2.8 Để xác định tiêu ổn định cho nút cần thời gian để giải lần hệ phương trình đại số tuyến tính (ĐSTT) 2n-s ẩn số Phương pháp NSTC thực chất ngoại suy gần đường cong đặc tính cơng suất, xuất phát từ điểm biết chế độ hành Chính sai số khác cho nút: nút gần với giới hạn ổn định (nút yếu, nguy hiểm) độ xác phép ngoại suy nhận cao Các nút cịn xa giới hạn, phép tính bị sai số nhiều Tuy nhiên, đặc 16 điểm lại thuận lợi phương diện ứng dụng Đó vì, nút yếu, nguy hiểm cần quan tâm xác định xác lời giải Chương trình tính tốn CĐXL theo 2.7 Đánh giá phân tích mức độ xác phương pháp NSTC so với phương pháp khác tính tốn GHƠĐ thuật tốn Newton-Raphson (Các liệu CĐXL hành) Thiết lập ma trận (1) Jacobi i=1 (2) Nhận dạng thông số λ (tương ứng với thông số nút) Luận án đề xuất phương pháp để tính tốn dự - Số hiệu nút (k); báo GHÔĐ, cần - Thông số thay đổi (P Q ); - Thông số trạng thái nút (U *,δ *,Q * P *) tính tốn kiểm chứng độ xác chân thực kết Trong i = i+1 Xác định góc cơng suất α ; cosα (3) luận án trình bày chi tiết q trình tính tốn Tính tốn giới hạn cơng suất nút theo điều kiện ổn định GHÔĐ phương pháp (theo 2.21 2.29) (4) NSTC so sánh kết với phương pháp phổ biến phương pháp i < (2n-s) lặp (làm nặng chế độ theo Hình 2.8 Sai kịch quan tâm tính In tiêu ổn định lặp) Kết thúc Theo nghiên cứu tổng quan luận án, chưa có phương pháp thực dự đoán trạng thái giới hạn từ xuất phát điểm thơng số hành Chỉ có số phương pháp cố gắng đánh giá “độ xa” trạng thái giới hạn (như phương pháp phân tích ma trận SVD để tìm độ nhạy CS nút bé nhất, phương pháp góc CS  tính độ dài giá trị đạo hàm có hướng) mang tính chất định tính tìm nút yếu mà khơng lượng hóa khoảng cách đến trạng thái GHÔĐ Luận án tiến hành tính tốn GHƠĐ theo phương pháp để làm rõ tính ưu việt phương pháp NSTC lượng hóa i k k k i k k k i 17 xác (bằng MW) trạng thái GHÔĐ mức dự trữ ổn định nút hệ thống Các sơ đồ tính tốn trình bày luận án gồm: sơ đồ đơn giản Bus, Ward & Hale Bus, IEEE 14 Bus, IEEE 39 Bus Miền Tây Nam Bộ 138 Bus Sự đa dạng loại sơ đồ cho phép kiểm chứng tính tốn tính tay (sơ đồ nút) chương trình (tính lặp phần mềm CONUS-7.3 sơ đồ lại), đồng thời cho phép so sánh kết tính tốn với nghiên cứu giới (thông qua sơ đồ mẫu Ward & Hale Bus, IEEE 14, 39 Bus) kiểm tra khả áp dụng vào toán thực tế Việt Nam (sơ đồ HTĐ Miền Tây 2016) Đối với sơ đồ Bus, gồm nút nguồn, nút tải đấu nối hình tam giác Sơ đồ tính tốn tay Thơng số: Z12= j0.20; Z23= j0.25; Z13= j0.50 P3+jQ3 = 100 + j30 (MVA) ; ||U2|| = 1.00 pu = const Giả thiết nút nút cân bằng: U1=1.00 pu = const; 1= 0o = const P2+jQ2 U2(2) U1(1) Z1 P1+jQ1 Z Z23 U3(3) P3+jQ3 Hình 2.9 Sau xây dựng hệ phương trình CĐXL tính tốn tay, kết GHÔĐ CS nút là: Pm2 = 515.8 MW; Pm3 = 363.5 MW; Qm3 = 138.1 MVAr Luận án tiến hành tính tốn GHƠĐ trạng thái đầu thay đổi để kiểm chứng hội tụ kết tính tốn Minh họa kết tính Qm3 trạng thái đầu Q3 thay đổi thể bảng 2.2 Bảng 2.2: Khi trạng thái ban đầu Q3 khác Q3 (MVAr) Qm3 (MVAr) 139 10 139 50 137 80 136 100 135 120 134 130 133 133 133 Nếu tính tốn theo phương pháp lặp (bằng tay) theo kịch tương đương (tăng dần CSTD CSPK nút tải 3, tăng dần CS phát nút nguồn 2) hệ ổn định Kết trạng thái GHÔĐ sau: P2GH = 684 MW; P3GH = 264 MW; Q3GH = 133 MVAr 18 Khi trạng thái vận hành ban đầu P2, P3 Q3 thay đổi tăng dần, phương pháp NSTC cho kết tính GHƠĐ hội tụ giá trị trên, thể trạng thái ban đầu nặng nề, phương pháp NSTC cho kết xác Sơ đồ Ward & Hale Bus: Đây sơ đồ mà hai tác giả Liancheng Wang and Adly A Girgis tính tốn nghiên cứu đề xuất tiêu góc  để đánh giá ổn định HTĐ Luận án tiến hành so sánh kết phương pháp đề xuất với kết tính tốn bảng 2.6: Bảng 2.6 Các kết tính tốn sơ đồ Ward & Hale 6-Bus Số liệu tính tốn Nút Thơng số Chế độ đầu 6 P3 P5 P6 Q3 Q5 Q6 0.55 0.3 0.5 0.13 0.18 0.05 GHƠĐ CS nút Tính lặp theo [32] 1.26 0.94 1.32 0.72 0.71 0.8 Theo NSTC Phương pháp [32] 1.201 0.898 1.26 0.486 0.52 0.498 1.3866 1.0643 1.5064 2.2225 2.1739 2.6598 Độ lệch NSTC so với tính lặp [32] Độ lệch tiêu theo [32] so với tính lặp [32] -4.68% -4.47% -4.54% -32.50% -26.76% -37.75% 10.05% 13.22% 23.48% 208.68% 206.18% 232.48% Trong ví dụ sai số phương pháp NSTC đề xuất luận án cải thiện nhiều so với phương pháp đề xuất [32] Nguyên nhân công thức dự báo đơn giản đề xuất [32] Sau xác định góc cơng suất αi, tác giả đề xuất lấy trị số công suất tỉ lệ với cosα làm giá trị đo độ xa khoảng cách đến giới hạn (ở trị số tương đối): Ddi=||fi||.Cosi Khi α tiến tới 90o Dd tiến tới 0, quan hệ phi tuyến (không tỉ lệ) Dd với công suất nút nên sai số lớn điểm dự báo nằm xa giới hạn Tính tốn áp dụng cho sơ đồ IEEE 14 Bus: Để thấy rõ hiệu ứng việc đặt bù CSPK GHƠĐ CS nút, luận án tính tốn cho sơ đồ IEEE14 Bus trường hợp khơng bù có bù Dung lượng bù nút 3, 6, là: 40 MVAr, 24 MVAr 24 MVAr Kết chi thấy, sau đặt tụ bù nút 3, 6, 8, điện áp tất nút nâng cao, đạt ~ 1.0 pu (xem thêm phụ lục) Tính tốn GHƠĐ cho kết CS giới hạn nút cải thiện, nâng lên trung bình từ 20-30% Áp dụng tính toán cho sơ đồ IEEE 39 Bus 19 Sau tính tốn chế độ xác lập HTĐ, sử dụng phương pháp NSTC, xác định công suất giới hạn nút Ngồi ra, luận án tính tốn cơng suất giới hạn nút phương pháp lặp để đối chiếu kết Những nút có giới hạn cơng suất tác dụng thấp 26, 28, 18 (Pgh đạt khoảng 3,6-3,9 pu), gới hạn CSPK thấp 12, 7, (chỉ đạt từ 5,5 đến 7,7 pu) Theo [32], với hệ số tải 2,2 nút yếu CSPK 12,7,8 trùng với nhận định luận án Tuy nhiên, tác giả [32] đưa CSPK giới hạn nút Vì vậy, phương pháp NSTC có nhiều ưu điểm hơn, khơng nút yếu mà cịn tính giới hạn CSTD CSPK cách nhanh chóng với độ xác cao Tính tốn áp dụng cho HTĐ Miền Tây Nam bộ: Mô lưới điện Miền Tây gồm 138 nút 288 nhánh, cấp điện áp 500 – 220 – 110 kV Kết tính tốn giới hạn cơng suất nút tải theo phương pháp NSTC sát với kết tính theo phương pháp lặp thơng thường Nếu xét sai lệch tính theo hệ số dự trữ phần trăm (Kdt%) nhỏ, nút xa nguồn sai lệch 0-3% Độ xác cao phương pháp NSTC trường hợp giải thích sơ hệ thống vận hành có độ dự trữ ổn định thấp.Việc xác định nút yếu (có giá trị dự trữ ổn định MW-MVAr thấp) phương pháp NSTC xác so sánh với phương pháp lặp Các ví dụ áp dụng thử cho sơ đồ đơn giản phức tạp cho thấy phương pháp NSTC có độ xác cao đáng kể so với phương pháp có, đặc biệt tính cho nút nguy hiểm gần với GHƠĐ Do thuật tốn phù hợp ứng dụng cho toán thực tế liên quan đến phân tích ổn định HTĐ phức tạp, phục vụ mục đích khác NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN Luận án xem xét khía cạnh giới hạn truyền tải giao dịch song phương TTĐ: nút nguồn cho trước có khả cấp thêm MW tới nút tải cho trước quan điểm ổn định HTĐ Việc lựa chọn giao dịch song phương có dự trữ ổn định lớn tránh giao dịch 20 gần đạt ngưỡng ổn định cách để nâng cao ổn định HTĐ dựa việc thay đổi phương thức vận hành Luận án đề xuất thuật toán chương trình tính giới hạn truyền tải song phương phương pháp NSTC, lập ma trận truyền tải song phương cặp nút nguồn – tải HTĐ, áp dụng tính tốn thử cho sơ đồ Ward & Hale Bus, IEEE 14 Bus, IEEE 39 Bus, HTĐ 500-220-110 kV Miền Tây 138 Bus HTĐ 500-220 kV Việt Nam 122 Bus Kết tính tốn sơ đồ Ward & Hale bus sau: Phụ tải\Nguồn L3 L5 L6 G1 65.1 59.8 76.0 G2 31.6 61.0 33.6 Phụ tải\Nguồn L3 L5 L6 Giới hạn truyền tải song phương tăng thêm (Pspt) G1 54.2 66.6 60.3 G2 36.5 67.0 40.2 Ma trận hệ số dự trữ ổn định (Kdt%) Kết tính tốn Pghn Pspt cho thấy, giao dịch song phương thị trường, phụ tải nút nhận điện từ nhà máy điện nút có ưu mặt truyền tải so với nhận điện từ nhà máy điện Giới hạn truyền tải công suất nút Pghn lớn (120,1 MW so với 86,6 MW), giới hạn CS truyền tải song phương Pspt lớn (65,1 MW so với 31,6 MW), mức dự trữ ổn định so với trạng thái ban đầu cao (54,2% so với 36,5%) Phụ tải nút mua điện thêm từ nút nguồn có lợi so với nút nguồn 1, lượng hóa giá trị Pghn, Pspt cao Nút tải thể giao dịch song phương với nguồn có lợi đáng kể giới hạn công suất truyền tải, dung lượng truyền tải MAX lớn nhiều so với nhận điện từ nguồn Tương tự, kết mơ tính tốn giới hạn truyền tải song phương tăng thêm cho HTĐ IEEE 14 Bus IEEE 39 Bus mang lại kết hợp lý Ví dụ sơ đồ IEEE 39 Bus có ma trận dự trữ ổn định sau: Bảng 3.9 Ma trận dự trữ Kdt% HTĐ IEEE 39 Bus Tải\Nguồn Ppt-1 Ppt-3 Ppt-4 Ppt-7 Ppt-8 G1 28.3 38.0 23.0 55.1 26.5 G2 5.2 34.5 25.8 60.4 29.8 G3 5.6 37.2 28.4 59.4 28.9 G4 3.3 30.4 15.7 38.9 13.5 G5 1.9 20.0 9.5 28.2 8.2 G6 3.6 31.8 16.7 40.3 14.3 G7 2.1 21.5 10.4 29.9 9.0 G8 5.7 37.1 17.5 41.8 15.3 G9 1.8 17.9 7.7 24.4 6.8 G10 11.4 51.3 26.7 52.7 23.4 21 Ppt-12 Ppt-16 Ppt-18 Ppt-20 Ppt-21 Ppt-23 Ppt-27 Ppt-28 Ppt-29 98.1 31.5 61.4 11.1 37.1 40.2 39.1 48.9 36.6 98.5 30.8 59.2 10.8 36.5 39.6 35.8 44.9 32.8 98.8 34.2 61.8 12.4 39.9 42.9 38.6 47.3 35.0 97.6 39.5 59.7 46.0 45.6 48.9 37.5 45.4 33.2 96.8 25.1 47.4 40.2 31.0 34.5 25.6 34.4 23.4 97.7 41.2 61.1 16.9 59.6 71.7 39.0 46.8 34.6 96.9 27.0 49.4 9.6 39.7 58.2 27.3 36.2 25.0 97.7 30.2 61.1 10.5 35.9 39.0 42.3 55.0 42.9 96.3 16.8 43.0 5.3 21.5 24.6 27.9 68.8 71.3 98.2 39.9 70.4 15.2 45.3 47.9 51.7 60.9 49.2 Dựa số liệu bảng, tìm nhiều phương thức khơng nên thực hiện, ví dụ phụ tải không nên mua thêm điện từ nhà máy điện G2 đến G9, mà nên mua từ nhà máy điện G1 G10 Thực tế phụ tải L1 đủ lớn, gần với GHÔĐ Tương tự, phụ tải không nên mua thêm điện từ nguồn G5, G7, G9 mức dự trữ truyền tải thấp (dưới 10%), Pspt 38-51 MW Thay vào đó, L8 nên mua điện từ nhà máy G2, G3 nhiều cơng suất tốt cho ổn định HTĐ Đối với HTĐ Miền Tây HTĐ 500-220 kV Việt Nam, luận án ứng dụng phương pháp NSTC để xây dựng ma trận truyền tải song phương cặp nguồn – tải Nhận thấy, phụ tải gần nguồn điện giới hạn truyền tải song phương Pspt lớn, công suất giao dịch nhiều Ngược lại, phụ tải xa nguồn Pspt giảm Đối với nhà máy điện có vị trí tương đối nhà máy điện phát lên cấp điện áp cao có Pspt cao Ví dụ, NĐ Duyên Hải phát lên 500 kV nên có giới hạn truyền tải song phương đến phụ tải cao NĐ Duyên Hải phát lên 220 kV Qua tính tốn trên, nhận thấy nhờ khả tính tốn nhanh giới hạn truyền tải qua lần quét, phương pháp NSTC thuật tốn đề xuất luận án nhanh chóng xây dựng ma trận giới hạn truyền tải song phương tăng thêm tối đa cặp nhà máy điện – phụ tải điện bất kỳ, làm nguồn liệu tham khảo tốt cho công tác vận hành điều độ HTĐ hoạt động giao dịch TTĐ NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NSTC TRONG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HTĐ 22 Dựa ưu điểm phương pháp tính GHƠĐ, phương pháp 1000 NSTC có khả 900 đưa 800 Ppt3 700 Ppt5 dự báo GHÔĐ với 600 Ppt6 500 Png2 xuất phát điểm Qpt3 400 Qpt5 thơng số vận 300 Qpt6 hành (có 200 thể thu thập từ 100 PMU từ 10 12 14 16 18 20 22 24 chương trình) Hình 4.5 Ngồi ra, dựa vào lịch huy động ngắn hạn (giờ tới, ngày tới), phương pháp xây dựng biểu đồ dự báo mức dự trữ ổn định nút HTĐ, giúp cho người vận hành hệ thống có nhìn sâu ổn định ln chủ động sẵn sàng đưa phương thức phù hợp xảy cố Luận án tiến hành tính tốn thử nghiệm cho sơ đồ Ward & Hale Bus với biểu đồ phụ tải biến thiên 24 Kết tính tốn mức dự trữ ổn định CS nút hình 4.5 Kết cho thấy, hệ số dự trữ công suất nút nhậy theo biến động công suất Khi vận hành với phụ tải sở (k = 1.0) hệ số dự trữ công suất nút cao (đều lớn 100%), nhiên phụ tải tăng thêm 20% (k=1.2) hệ số dự trữ xuống 50% Hình 4.5 phạm vi nguy hiểm cần cảnh báo ổn định cho hệ thống vận hành theo đồ thị phụ tải giả thiết Từ 10h đến 12h, nút 3, có hệ số dự trữ nằm giới hạn cho phép (20%) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận đóng góp khoa học luận án Các HTĐ đại có sơ đồ phức tạp, hoạt động ngày đa dạng theo chế khác TTĐ Giới hạn truyền tải cơng suất ngày có xu hướng tiến sát đến GHƠĐ Nghiên cứu phương pháp tính tốn cho phép đánh giá nhanh, thuận tiện, hiệu giới hạn cơng suất truyền tải có ý nghĩa lớn quản lý vận hành 23 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định HTĐ thường phức tạp, dang có phương pháp đáp ứng nhu cầu quản lý vận hành Luận án đề xuất phương pháp NSTC (NSTC) cho phép tính tốn nhanh GHƠĐ cơng suất nút giới hạn truyền tải song phương tăng thêm cặp nguồn - tải Phương pháp có độ xác cao phương pháp loại (nhóm tính tốn dự báo nhanh theo thông tin trạng thái hành) nên có triển vọng ứng dụng tốt quản lý vận hành HTĐ (vể phương diện ổn định), đặc biệt điều kiện hoạt động TTĐ Luận án xây dựng chương trình tính tốn giới hạn ƠĐT theo phương pháp NSTC Chương trình tính tốn GHƠĐ có vai trị mơ đun bổ sung cho chương trình tính tốn chế độ xác lập, nhằm phân tích đánh giá GHƠĐ cơng suất tương ứng với phương thức truyền tải khác Các ứng dụng vào sơ đồ ví dụ HTĐ Việt Nam bước đầu khẳng định khả ứng dụng hiệu vào thực tế độ tin cậy phương pháp tính Thuật tốn phương pháp NSTC dự báo nhanh GHƠĐ sở thơng tin trạng thái hành nên mở khả ứng dụng cảnh báo điều khiển đặc trưng ổn định HTĐ phức tạp Tuy nhiên, vấn đề cần nghiên cứu phối hợp khả thu thập truyền thông tin đồng diện rộng HTĐ 5.2 Kiến nghị nghiên cứu Đề tài luận án cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện theo hướng sau: - Nâng cấp chương trình tính tốn GHƠĐ theo tiêu chí ƠĐT, để ứng dụng thực vào thực tế, xét đến nhiều phần tử phức tạp như: hệ thống truyền tải điện chiều HVDC; thiết bị FACTS; - Nghiên cứu hướng ứng dụng phương pháp NSTC lĩnh vực cảnh báo ổn định thời gian thực (on-line), phục vụ công tác điều độ vận hành HTĐ TTĐ Có thể bước đầu nghiên cứu cảnh báo sớm trạng thái nguy hiểm ổn định tình điển hình 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Mạnh Cường, Lã Văn Út (2014) Phương pháp ngoại suy tiệm cận dự báo nhanh giới hạn ổn định tĩnh hệ thống điện sở thông số trạng thái chế độ xác lập Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, No 103, pp 17-23 Nguyen Manh Cuong, La Van Ut, Truong Ngoc Minh (2017) Examining the Transmision Capacity Limits under Steady State Stability Criteria in the Operation of Electricity Market Journal of Science and Technology Technical Universities, No 120, pp 1-6 ... đa giới hạn truyền tải cho phép để đảm bảo toán kinh tế hệ thống Trong giới hạn truyền tải theo điều kiện kỹ thuật, giới hạn theo điều kiện ổn định khó xác định nhất, đa dạng chất tượng ổn định. .. Đó ý tưởng đề xuất phương pháp xác định gần giới hạn công suất nút theo điều kiện ổn định 2.3 Xây dựng biểu thức xấp xỉ xác định giới hạn công suất nút HTĐ theo điều kiện ổn định a Trường hợp... có độ xác chấp nhận 1.4 Các biện pháp nâng cao ổn định cho HTĐ vai trị tốn xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định Việc nâng cao ổn định cho HTĐ thực chất nâng cao độ dự trữ ổn định