20_4_5_43_52_1__2928

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 20 (4) (2020) 43-52 ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TRUYỀN TẢI DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng* Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Email: luongvt@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 30/7/2020; Ngày chấp nhận đăng: 02/11/2020 TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp phân tích ổn định điện áp dựa cở sở phân tích độ nhạy V-Q ma trận Jacobi thành lập từ tốn phân bố cơng suất Với phương pháp đề xuất, hệ thống điện xác định ổn định, ổn định hay sụp đổ nhận dạng khu vực có nguy ổn định Tính khả thi hiệu phương pháp đề xuất kiểm chứng thông qua nghiên cứu mạng điện IEEE 26 nút, dựa vào phần mềm Matlab Từ khóa: Hệ thống điện, ổn định điện áp, phân tích độ nhạy, phân bố công suất MỞ ĐẦU Ổn định điện áp khả hệ thống giữ điện áp tất nút hệ thống nằm giới hạn cho phép điều kiện vận hành bình thường có nhiễu xảy Một hệ thống điện rơi vào trạng thái ổn định điện áp có nhiễu, gia tăng phụ tải, có thay đổi điều kiện vận hành hệ thống gây việc giảm nhanh chóng khả điều khiển điện áp Nguyên nhân gây ổn định điện áp hệ thống đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng tải Thông thường, ổn định điện áp chia thành ba loại: ổn định điện áp độ (transient voltage stability), ổn định điện áp tĩnh (static voltage stability) ổn định điện áp động (dynamic voltage stability) [1] Việc tính tốn biên giới ổn định điện áp tĩnh trở thành sở để đánh giá độ ổn định điện áp hệ thống điện Sự ổn định điện áp tĩnh xảy điện áp giảm dần tăng dần vài tất hệ thống Điều xảy với yếu, từ lan rộng sang khác cuối dẫn đến sụp đổ điện áp tồn hệ thống điện Vì vậy, ổn định điện áp tĩnh trở thành vấn đề quan trọng việc quy hoạch vận hành hệ thống điện tương lai Ngày nay, vấn đề ổn định điện áp khơng cịn vấn đề lạ tất Tuy nhiên, đóng vai trò quan trọng hệ thống điện, mà cụ thể vấn đề sụp đổ điện áp Nếu khơng có dự báo sụp đổ điện áp để đưa biện pháp cải thiện kịp thời gây hậu nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến phát triển kinh tế an ninh hệ thống điện Việc dự báo sụp đổ điện áp hệ thống điện toán quan trọng q trình phân tích ổn định điện áp, đặc biệt đối hệ thống điện lớn phức tạp [1-3] Phân tích tĩnh thường xem phương pháp hiệu để đánh giá biên giới ổn định, xác định yếu có tính đến hàng loạt điều kiện hệ thống Trong số kỹ thuật phân tích tĩnh có, phương pháp dựa trị đơn trị riêng phân bố công suất nghiên cứu để xác định biên giới ổn định điện áp tĩnh yếu [1, 4] Ngồi ra, phương pháp phân tích đánh giá ổn định 43 Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng điện áp khác phương pháp phân tích động kết hợp với chương trình phân bố cơng suất mô miền thời gian [5], phương pháp phân tích dựa khảo sát đặc tuyến V-P Q-V [6],… giới thiệu Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu Byung & Kwang [5] đòi hỏi phải biết nhiều thông số máy phát, hệ thống, v.v Đồng thời kết không cung cấp thông tin độ nhạy hay mức ổn định Theo phương pháp nghiên cứu Gao et al [6], để có đường cong V-P Q-V phải thực nhiều lần chương trình phân bố cơng suất, điều nhiều thời gian Trong báo này, nhóm tác giả tìm hiểu phương pháp phân tích ổn định điện áp hệ thống điện sở phân tích độ nhạy V-Q ma trận Jacobi thành lập từ tốn phân bố cơng suất Khi ấy, ta kết luận hệ thống điện ổn định, ổn định hay sụp đổ Từ đó, dựa vào độ nhạy, ta đánh giá xem nút có độ ổn định hay gần với điểm tới hạn để có biện pháp cải thiện kịp thời Tính khả thi hiệu phương pháp đề xuất kiểm chứng thông qua nghiên cứu mô mạng điện IEEE 26 nút dùng Matlab PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY V-Q 2.1 Ma trận Jacobi rút gọn Hệ thống gọi ổn định điện áp biên độ điện áp tất nút hệ thống tăng lên cơng suất phản kháng bơm vào nút tăng lên Ngược lại, hệ thống ổn định điện áp có nút hệ thống mà điện áp nút giảm xuống cơng suất phản kháng bơm vào nút tăng lên Nói cách khác, độ nhạy V-Q tất nút hệ thống dương hệ thống ổn định điện áp, độ nhạy V-Q nút hệ thống âm hệ thống ổn định điện áp Do đó, phương pháp phân tích độ nhạy V-Q người ta dựa vào đặc điểm để phân tích đánh giá ổn định điện áp cho hệ thống điện Phương trình điện áp – công suất hệ thống trạng thái xác lập dạng tuyến tính hóa cho sau [5-7]:  P   JP   = J  Q   Q JPV      JQV   V  (1) Trong đó: P, Q,  V: độ thay đổi công suất thực nút, độ thay đổi công suất phản kháng bơm vào nút, độ thay đổi góc pha điện áp nút độ thay đổi biên độ điện áp nút;  J P J PV    ma trận Jacobi gồm ma trận con: JP, JPV, JQ, JQV  JQ J QV  Trong nghiên cứu này, mơ hình phân bố cơng suất truyền thống sử dụng để phân tích ổn định điện áp Do đó, ma trận Jacobi phương trình (1) giống ma trận Jacobi sử dụng phương pháp lập Newton-Raphson để giải phân bố công suất [5, 10] Sự ổn định điện áp hệ thống bị ảnh hưởng thành phần công suất (P, Q) Tuy nhiên, điểm làm việc, giữ công suất tác dụng P không đổi đánh giá ổn định điện áp cách xem xét thay đổi quan hệ Q V Mặc dù không xét đến thay đổi P, ảnh hưởng thay đổi phụ tải hệ thống mức truyền công suất đưa vào tính tốn cách nghiên cứu quan hệ Q V điều kiện vận hành với mức tải công suất P khác 44 Đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện truyền tải dùng phương pháp phân tích độ nhạy Từ (1), ta có hệ phương trình sau:  P = J P  + J PV V  Q = J Q  + J QV V (2) Có thơng số ảnh hưởng đến độ ổn định điện áp Đó công suất tác dụng P công suất phản kháng Q Để phân tích xem P Q ảnh hưởng đến ổn định điện áp cần giả sử công suất phản kháng công suất tác dụng số Trong nghiên cứu này, ta cho sai số P = [11, 12] Do đó, hệ phương trình (2) viết lại sau:   = −J −P1 J PV V  Q = J R V (3) Trong đó: J R ma trận Jacobi rút gọn hệ thống, viết lại sau : Từ (3), ta có: J R =  J QV − J Q J P−1 J PV  (4) V = J −R1Q (5) −1 Ma trận J −1 R ma trận Jacobi V-Q rút gọn Phần tử đường chéo thứ i ma trận J R độ nhạy V-Q nút thứ i [10] Độ nhạy V-Q nút độ dốc đường cong Q-V điểm làm việc cho [11] Nếu độ nhạy V-Q dương cho thấy điểm làm việc ổn định, độ nhạy nhỏ hệ thống ổn định Khi độ ổn định giảm, giá trị độ nhạy tăng lên vô hệ thống giới hạn ổn định Nếu độ nhạy có giá trị âm cho thấy điểm làm việc không ổn định Để xác định ma trận J −1 R việc phân tích ổn định điện áp, trước tiên giải tốn phân bố cơng suất theo phương pháp lập Newton-Raphson, toán hội tụ ta tìm ma trận Jacobi tương ứng với điều kiện vận hành cho Sau tìm ma trận Jacobi rút gọn theo công thức (4) cuối tìm ma trận J −1 R 2.2 Sơ đồ thuật tốn Thuật tốn giải phân bố cơng suất theo phương pháp lập Newton-Raphson xác định ma trận Jacobi rút gọn J −1 R gồm bước sau: Giả thiết (0) Vj j (0) góc pha biên độ điện áp ban đầu nút j Xét vòng lặp thứ k gồm: Bước 1: Dùng trị số (k) Vj j (k) , tính cơng suất tác dụng Pi( k ) , công suất phản ) kháng, Q (k i , nút i = 2,…,N Bước 2: Tính sai số Pi(k) Q(k) theo công thức sau: i  Pi(k) = Po−i − Pi(k)  (k) (k) Qi = Qo−i − Qi 45 (6) Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng Pi(k) Bước 3: Kiểm tra điều kiện (k) i Q (k) i Vi(k) nghiệm nhảy xuống bước 8, không đạt điều kiện tính tiếp bước Trong đó, sai số chọn 10-3 Bước 4: Tính phần tử ma trận Jacobi Bước 5: Tính lại góc pha biên độ điện áp nút Bước 6: Tính (k 1) j Vj(k 1) (k) j Vj(k) (k) j (k ) i Vi(k ) j = 2, ,N Vj(k) Bước 7: Quay lại bước Bước 8: Tính phần tử ma trận Jacobi ma trận JP, JPV, JQ JQV khác với bước tính cho nút điều khiển điện áp, trừ nút cân Sau đó, ta tính ma trận JR J R Sơ đồ giải thuật thể Hình Bắt đầu Xác định thông số cấu trúc liệu tải, nguồn mạng điện Tính phân bố cơng suất Đúng Hội tụ Sai Tính ma trận Jacobi ma trận JPθ ,JPV ,JQθ ,JQV Tính ma trận Jacobi rút gọn JR -1 Tính ma trận JR Phân tích độ nhạy V-Q Kết luận đánh giá ổn định điện áp Kết thúc Hình Sơ đồ giải thuật 46 Đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện truyền tải dùng phương pháp phân tích độ nhạy KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Sử dụng phương pháp phân tích độ nhạy V-Q đánh giá ổn định điện áp cho mạng điện 26 nút (IEEE 26-bus test system) Hình Số liệu phụ tải máy phát cho Bảng Bảng Số liệu phụ tải Nút P (MW) Q (MVAr) Nút P (MW) Q (MVAr) 51 41 14 24 12 22 15 15 70 31 64 50 16 55 27 25 10 17 78 38 50 30 18 153 67 76 29 19 75 15 0 20 48 27 0 21 46 23 89 50 22 45 22 10 0 23 25 12 11 25 15 24 54 27 12 89 48 25 28 13 13 31 15 26 40 20 Bảng Số liệu máy phát Nút Điện áp (p.u) Công suất (MW) Giới hạn (MVAr) Qmin Qmax 1,025 1,020 79 40 250 1,025 20 40 150 1,050 100 40 80 1,045 300 40 160 26 1,015 60 15 50 Đầu phân áp chỉnh định cho Bảng 3, nút bên trái giả thiết có đầu phân áp Thông số đường dây máy biến áp cho Bảng Số liệu công suất kháng tụ bù ngang nút cho Bảng Nút chọn nút cân với điện áp giữ cân 1,02500 (p.u) Công suất 100 (MVA) Điện áp 132 (kV) Giải phân bố công suất phương pháp Newton-Raphson, với sai số cơng suất  = 0,0001 Bài tốn hội tụ sau lần lặp 47 Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng Bảng Đầu phân áp Nhánh máy biến áp Chỉnh định đầu phân áp Nhánh máy biến áp Chỉnh định đầu phân áp 2-3 0,96 4-12 1,050 2-13 0,96 6-19 0,950 3-13 1,017 7-9 0,950 4-8 1,050 Bảng Số liệu đường dây máy biến áp Đường dây R (p.u) X (p.u) 0,5B (p.u) Đường dây 1-2 0,0005 0,00480 0,03000 1-18 0,0013 0,01100 2-3 0,0014 2-7 R (p.u) X (p.u) 0,5B (p.u) 10-22 0,0069 0,0298 0,0050 0,06000 11-25 0,0960 0,2700 0,0100 0,05130 0,05000 11-26 0,0165 0,0970 0,0040 0,0103 0,05860 0,01800 12-14 0,0327 0,0802 2-8 0,0074 0,03210 0,03900 12-15 0,0180 0,0598 2-13 0,00357 0,09670 0,02500 13-14 0,0046 0,0271 0,0010 2-26 0,0323 0,19670 13-15 0,0116 0,0610 0,0000 3-13 0,0007 0,00548 0,00050 13-16 0,01793 0,0888 0,0010 4-8 0,0008 0,02400 0,00010 14-15 0,0069 0,0382 4-12 0,0016 0,02070 0,01500 15-16 0,0209 0,0512 5-6 0,0069 0,03000 0,09900 16-17 0,0990 0,0600 6-7 0,00535 0,03060 0,00105 16-20 0,0239 0,0585 6-11 0,0097 0,05700 0,00010 17-18 0,0032 0,0600 0,0380 6-18 0,00374 0,02220 0,00120 17-21 0,2290 0,4450 6-19 0,0035 0,06600 0,04500 19-23 0,0300 0,1310 6-21 0,0050 0,09000 0,02260 19-24 0,0300 0,1250 0,0020 7-8 0,0012 0,00693 0,00010 19-25 0,1190 0,2249 0,0040 7-9 0,00095 0,04290 0,02500 20-21 0,0657 0,1570 8-12 0,0020 0,01800 0,02000 20-22 0,0150 0,0366 9-10 0,00104 0,04930 0,00100 21-24 0,0476 0,1510 10-12 0,00247 0,01320 0,01000 22-23 0,0290 0,0990 10-19 0,0547 0,23600 22-24 0,0310 0,0880 10-20 0,0066 0,01600 0,00100 23-25 0,0987 0,1168 48 Đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện truyền tải dùng phương pháp phân tích độ nhạy Bảng Số liệu công suất kháng tụ bù ngang Nút MVAr Nút MVAr 11 1,5 12 5 15 0,5 19 G G G 26 G G 18 13 11 14 12 19 25 16 10 I 24 23 15 22 20 21 17 Hình Sơ đồ mạng điện [7] Kết tính độ nhạy nút thể Bảng Dựa vào kết tính tốn ta thấy giá trị độ nhạy V-Q dương, hệ thống điện ổn định Trong đó, nút số 25 có độ ổn định Khảo sát ổn định điện áp hệ thống thay đổi tải vùng I, Hình Bằng cách tăng từ từ tải nút 25 từ đến giá trị tới hạn (hệ số công suất không đổi, cos = 0,8944), ta đường cong P-V nút 25 Hình A Điện áp (p.u) B C D Cơng suất (MW) Hình Đường cong P-V nút 25, với cos = 0,8944 49