1029_7924_1_pb_5145

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 MỘT GIẢI THUẬT MỚI ĐỂ XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NHIỀU NGUỒN VỚI TIÊU CHUẨN BM Lưu Hữu Vinh Quang Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG – HCM GIỚI THIỆU Các ứng dụng việc tính tốn giới hạn ổn định điện áp hệ thống điện đề cập nhiều tài liệu, ví dụ trích dẫn tham khảo [1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9] Có thể giới thiệu tóm lược khái niệm giới hạn ổn định điện áp sau : [1] đưa khái niệm giải tích ổn định điện áp với đường đặc tính U_P (xem đồ thị a- Hình 1) đường đặc tính Q_U) (xem đồ thị b- c- Hình 1) Áp dụng đường cong U_P phương pháp tổng quát để kiểm tra ổn định điện áp Đường cong U_P hữu ích việc phân tích ổn định điện áp sơ đồ hệ thống điện dạng tia Phương pháp sử dụng cho hệ thống điện lớn, P tổng tải khu vực U điện áp nút tiêu biểu Đại lượng P cơng suất truyền dọc theo đường truyền tải đường dây liên kết hệ thống Điện áp vài nút khác vẽ đồ thị Khi cơng suất truyền cực đại điện áp đạt trị số giới hạn Việc truyền tải công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào biên độ điện áp, chiều dòng hướng từ điểm điện áp cao đến điểm điện áp thấp Khi truyền công suất phản kháng gặp số khó khăn : cơng suất phản kháng khó truyền với góc điện áp lớn Các đường dây dài có độ lệch góc cao truyền lượng lớn công suất P, lúc trì điện áp xấp xỉ khoảng (0,95→1,05)đvtđ gặp khó khăn Khơng nên truyền cơng suất phản kháng khoảng cách dài Cịn có lý khác để giảm thiểu dịng cơng suất phản kháng truyền tải, phải cực tiểu hóa tổn hao truyền tải Cực tiểu hóa tổn hao cơng suất phản kháng cho phép giữ điện áp mức cao, giúp trì điện áp ổn định Trên đồ thị Hình cho thấy trị số điện áp giới hạn ổn định gần mức vận hành mức tải lớn Đối với hệ thống lớn, đường cong nhận loạt mô phân bố công suất Đường cong Q_U vẽ nút tiêu biểu xét theo công suất phản kháng nút Điện áp biến độc lập biểu thị trục hoành Trong [2] đưa phương pháp tính tốn giới hạn ổn định điện áp hệ thống điện nguồn máy phát theo tiêu chuẩn BM (đề xuất Bruc&Markovitch) dựa biến đổi trị số đạo hàm dQ/dU, mơ tả tóm tắt dựa đồ thị Hình Science & Technology Development, Vol 11, No.02 - 2008 Trên hệ tọa độ Q_U dựng đặc tính tĩnh phụ tải Qpt(U) Giả thiết công suất phát MW không đổi PF=Const với DPpt=0 dựng đường cong QFpt(U,E,d) Nhận giao điểm (a) (b) đường cong này, tương ứng với hai trạng thái cân cơng suất phản kháng Có thể chứng minh dễ dàng đồ thị Q_U : điểm (a) đặc trưng trạng thái cân bền, có ổn định điện áp, điểm (b) đặc trưng trạng thái cân không bền, tương ứng với mức điện áp thấp ổn định điện áp có giao động bé Từ dựng đường cong DQFpt(U) Khi giảm sức điện động E đường đặc tính QFpt(U,E,d) hạ thấp, làm cho điểm (a) (b) có xu hướng tiến đến điểm tiếp xúc đường cong d∆Q Fpt QFpt(U) Qpt(U) Trên đặc tính DQFpt(U), tọa độ = xác định điện áp giới hạn dU (Ugh) mà hệ thống phát sinh tình trạng sụp đổ điện áp với mức kích từ máy phát, mà đặc trưng trị số sức điện động Emin tối thiểu nguồn máy phát hệ thống điện Ở trạng thái bình thường hệ thống có điện áp lớn mức giới hạn (U >Ugh ), trạng thái xác lập quy ước hệ thống đủ tiêu chuẩn ổn định điện áp Quan sát đồ thị Hình nhận thấy : trạng thái xác lập tiến đến giới hạn ổn định điện áp , đặc trưng thông số điện áp d∆Q Fpt U→ Ugh , → Trong [2] có mơ tả sơ cách tính tốn giới hạn ổn định điện dU áp hệ thống có nguồn điện gồm nhiều máy phát song song, nhiên không đưa giải thuật hệ thống điện nhiều nguồn mà có sơ đồ mạng truyền tải điện kết nối Phương pháp giải tính giới hạn ổn định điện áp hệ thống điện nguồn nêu [2] áp dụng tổng quát trực tiếp cho hệ thống điện nhiều nguồn, nguồn kết nối tuyến truyền tải song song cần phải có thay đổi giải thuật cách phù hợp để áp dụng tiêu chuẩn BM XÂY DỰNG GIẢI THUẬT TÍNH TỐN GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN NHIỀU NGUỒN THEO TIÊU CHUẨN BM Nội dung luận điểm xây dựng giải thuật khảo sát ổn định điện áp đề cập chi tiết trang từ 34 đến 40 [9] Có thể lập sơ đồ khối chương trình tính tốn Hình 3: TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Hình 3.Sơ đồ khối chương trình khảo st ổn định điện áp theo tiêu chuẩn BM Thuyết minh nội dung khối tính tốn sơ đồ tiến trình biểu diễn Hình Khối số Có nội dung tính tốn biểu thị tóm tắt sơ đồ Hình Tùy theo mục đích phân tích ổn định điện áp lớp tốn cần khảo sát mà xử lý quan hệ biến áp khởi điểm nhánh biến áp có mặt sơ đồ hệ thống, sử dụng đầu nấc phân áp thứ đầu nấc phân áp ngồi định mức, dựa mơ hình hóa quan hệ biến áp cặp nút (i-j) phương trình ma trận quan hệ dịng-áp với sơ đồ p dạng Khối số Tính tốn trạng thái xác lập hệ thống với điều kiện định trước khối số Vectơ biến trạng thái x (là U,d nút PQ d,Q nút PU) xác định hệ : [x](t + 1) = [x](t ) + [ ∂F(x) −1 ](t ) [∆F(x)](t ) (1) ∂x Science & Technology Development, Vol 11, No.02 - 2008 [DF(x)](t) độ lệch vectơ hàm trạng thái xác lập thứ (t) Chu trình tính lặp đến bước (t+1) cho thỏa điều kiện [DF(x)](t+1)≤ e Đặc tính phụ thuộc điện áp P(U) Q(U) phụ tải tổng hợp nút áp dụng trạng thái mặc định để xét ảnh hưởng phụ tải đến giới hạn ổn định điện áp Các hệ số đặc tính tổng hợp phụ tải xác định từ thực khối tính tốn số Khi tính vectơ biến trạng thái khởi điểm, nút điện áp tiêu biểu thứ (j) chọn xác định phần tử (gEiUj + jbEiUj) thuộc ma trận tổng dẫn tương hỗ nguồn (i) với nút (j) Các trị số sức điện động đồng Ei∠di nguồn thứ (i) xác định Biểu thức QEpt-j(U) nút tiêu biểu thứ ( j ) tính theo phương trình : Q Ept - j = ∑ U j E i (b E i U j cos δ ij − g E i U j sin δ ij ) ; Ng (2) i =1 Sử dụng biểu thức QEpt-j(U) nhận trên, áp dụng thủ tục tính tốn thích hợp kết hợp với đặc tính phụ tải tổng cộng QptS (U) định trước khối số 1, đánh giá trị số điện áp giới hạn độ dự trữ ổn định điện áp trạng thái khởi đầu tồn hệ thống gồm có (Ng) nguồn máy phát Các tọa độ điểm đồ thị đẳng trị nút tiêu biểu DQS j(U), QEpt-jS(U) QptjS(U) lưu trữ, sử dụng tọa độ cho phép quan sát ước tính điện áp giới hạn đẳng trị tiêu biểu hệ thống Các trị số điện áp nút toàn hệ thống ghi nhận làm trạng thái điện áp sở hệ thống, trị số cho phép dựng đồ thị DQ S j(U), QEpt-j(U) QptjS(U) đủ xác ước tính điện áp giới hạn nút (j) tính độ dự trữ ổn định điện áp nút thứ (j) hệ thống so với trạng thái sở Khối số Khối số Nội dung tính tốn khối số số thực chất bao gồm nhiều chu trình tính lặp Thơng thường có khoảng 10 chu trình tính lặp Mỗi chu trình tính lặp có nhiệm vụ xác định trạng thái xác lập nặng nề trạng thái sở, vectơ sức điện động nguồn xác định theo hướng giảm độ dự trữ VAR nguồn tương ứng với điều kiện tổng tải MW không đổi nút công suất MW nút nguồn PU không thay đổi Khi độ dự trữ VAR bị giảm dần nguồn mặt điện áp hệ thống bị xấu dần đi, làm tăng tổn hao MW tổn hao MVAr phần tử RX tuyến truyền tải Mức độ nặng nề hệ thống tác động đến nguồn kiểm soát thỏa mãn khả phát PQ máy phát – thông số khả phát PQ nguồn xác định từ khối số 1, tuân thủ đường cong giới hạn phát nóng stator rơtor Hệ phương trình phi tuyến giải tìm vectơ biến trạng thái Eq (gồm sức điện động đồng eq nguồn đặt sau cảm kháng đồng dọc trục Xd ), với phép mơ tuyến tính hóa xác định : TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 [ Eq ]( t + 1) = [ Eq ]( t ) + [ ∂FE ( e q ) −1 ]( t ) [∆FE ( e q )]( t ) ; ∂e q (3) [DFE(eq)](t) độ lệch vectơ hàm trạng thái xác lập thứ (t) Ap dụng tính lặp đến bước (t+1) cho thỏa điều kiện [DFE(eq)](t+1)≤ e Các trị số sức điện động đồng eiq∠di nguồn thứ (i) tương ứng với trạng thái giảm dự trữ nguồn VAR xác định Như xác định biểu thức QEpt-j(U) nút tiêu biểu thứ (j) theo phương trình : Ng ( ) Q Ept - j = ∑ U j e iq b E i U j cos δ ij − g E i U j sin δ ij ; i =1 (4) Sử dụng biểu thức QEpt-j(U) nhận trên, áp dụng thủ tục tính tốn thích hợp kết hợp với đặc tính phụ tải tổng cộng QptS(U) định trước khối số 1, đánh giá trị số điện áp giới hạn độ dự trữ ổn định điện áp trạng thái giảm dự trữ nguồn VAR toàn hệ thống Từ vectơ sức điện động đồng eiq∠di xác định điện áp đầu cực nguồn phát, tương ứng với nút PU hệ thống điện trạng thái giảm dự trữ nguồn VAR Ở trạng thái vận hành hệ thống giảm độ dự trữ VAR nguồn trị số điện áp giới hạn thấp, cịn khoảng (65→75)% so với định mức Nếu thiếu dự trữ nguồn VAR, hệ thống có diễn biến trạng thái suy giảm điện áp lọt vào vùng tiến đến giới hạn ổn định, lúc xảy tác động vận hành có gây đột biến cấu trúc hệ thống (ví dụ : thao tác đóng-cắt phần tử truyền tải) dễ dàng làm ổn định điện áp Khối số Ở giải toán xác định trạng thái xác lập giới hạn với sức điện động eiq∠di tính từ khối số số với độ dự trữ ổn định VAR nguồn bị giảm Khi độ dự trữ VAR giảm nguồn mặt điện áp hệ thống bị xấu đi, làm tăng tổn hao MW phần tử R tuyến truyền tải Mức độ nặng nề hệ thống tác động đến nguồn kiểm sốt thỏa mãn khả phát cơng suất P máy phát theo độ dốc trung bình đặc tính điều tốc turbin Khi tính tốn trạng xác lập giới hạn xem trình điều tần hệ thống có hiệu lực, tần số hệ thống điều chỉnh theo yêu cầu kỹ thuật Chương trình cho phép tính tốn trạng thái xác lập giới hạn điều chỉnh công suất P nguồn cân bằng, cịn cơng suất P nguồn khác giữ không thay đổi Khối số khối số Kiểm soát độ xác trạng thái xác lập giới hạn với mức giảm dự trữ VAR nguồn cách so sánh sai số DUj trị số điện áp nút tiêu biểu thứ (j) tính khối số so với trị số tính khối số Nếu DUj>0,001 tính lại trạng thái xác lập để quay thực lại nội dung tính tốn khối số Vịng tính lặp quay lại khối số xảy vài lần, lần tính sau số lượng vịng tính lặp khối số giảm dần 1, dấu hiệu để lặp lại vịng tính tốn hai khối số số Khi thỏa mãn điều kiện DUj≤0,001 trị số điện áp nút toàn hệ thống ghi nhận trạng thái điện áp giới hạn tính tốn hệ thống với giảm độ dự trữ VAR nguồn tương ứng với tổng tải MVA hệ thống không đổi, trị số cho phép dựng đồ thị DQ j(U), QEpt-j(U) Qptj(U) đủ xác phù hợp với điện áp giới hạn tính nút tải tiêu biểu thứ (j) dược quan sát, tính độ dự trữ ổn định điện áp nút hệ thống so với trạng thái điện áp sở ban đầu Science & Technology Development, Vol 11, No.02 - 2008 Khối số Có thể kết thúc q trình phân tích ổn định điện áp với kết trạng thái điện áp giới hạn tính tốn hệ thống xác định xong khối số số cấu trúc trạng thái sở hữu định khởi đầu thi hành chương trình Cũng chuyển sang khối số để tính tốn tiếp tục phân tích ổn định điện áp với hình thái thay đổi cấu trúc hệ thống so với cấu trúc trạng thái xác lập sở Khối số Khối số thực chất khối tính tốn định điều kiện khởi điểm, áp dụng khởi đầu chương trình phân tích ổn định điện áp Khi khối chọn áp dụng dạng biến đổi cấu trúc hệ thống ấn định để khảo sát ổn định điện áp Các dạng thay đổi cấu trúc hệ thống chọn theo tiến trình tóm tắt Hình Đối với tiến trình tính tốn biến đổi tăng tải mức độ tăng cơng suất máy phát kiểm sốt độ dốc trung bình đặc tính điều tốc turbin Khi tính tốn trạng xác lập giới hạn xem q trình điều tần hệ thống có hiệu lực, tần số hệ thống thỏa mãn điều kiện kỹ thuật Khi chọn tiến trình khảo sát ảnh hưởng bù VAR đến ổn định điện áp, biểu diễn kết loại đồ thị Q(U) đặc tính biến đổi cơng suất phát theo điện áp tụ điện nút thứ (j) xét cộng chung vào đặc tính phụ tải nút Các tiến trình tính tốn khác chọn, sau tiến hành thực khối tính tốn từ số đến số với nội dung tương tự mơ tả VÍ DỤ KẾT QUẢ TÍNH TỐN TRÊN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỆN TIÊU CHUẨN IEEE Sơ đồ hệ thống điện tiêu chuẩn 30 nút (xem Hình 7) tham khảo IEEE Trans on Power System Vol.17,No1,February 2002 Tập số liệu thông số nhánh RXB(đvtđ) PQ(MVA) nút ghi bảng Các nút máy phát ghi số 1,2,3 nút số 30 nguồn máy phát cân bằng, lại nút tải với công suất tải PQ ghi dấu trừ TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Hình Sơ đồ hệ thống điện 30 nút IEEE bảng thơng số tính tốn Khảo sát thay đổi thông số giới hạn ổn định điện áp với điều kiện vận hành sau: Điều kiện A : xét trạng thái sở để so sánh biến đổi thông số giới hạn ổn định điện áp Điều kiện B : xét trạng thái vận hành hệ thống đặt tụ điện 7,5MVAr nút số 12 (bù tải 100%) Điều kiện C : xét trạng thái bị tổ máy phát nguồn số 1, phát S1F=(50+j10)MVA Điều kiện D : xét trạng thái vận hành hệ thống điện bị cắt đoạn đường dây (12-15) 3.1 Quan sát đồ thị biểu diễn thay đổi giới hạn ổn định điện áp nút số 18: