Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Phân bố công suất trong hệ thống điện khi có sự tham gia của các thiết bị FACTS

Khác với những chương trình tính toán công suất trước đây, chương trình tính toán phân bố công suất được trình bày ở đề tài này được phát triển dựa vào việc mô hình các thiết bị FACTS ở

O

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Phân bố công suất trong hệ thống điện khi có sự tham gia của các thiết bị FACTS

Mã số đề tài: T-ĐĐT-2012-17 Thời gian thực hiện: 1 năm Chủ nhiệm đề tài: Đặng Tuấn Khanh

Cán bộ tham gia đề tài: Nguyễn Văn Liêm

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 7/2012

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

(Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm) 1 TS Nguyễn Văn Liêm, Bộ môn Hệ Thống Điện, Khoa Điện - Điện Tử 2 Th.S Đặng Tuấn Khanh, Bộ môn Hệ Thống Điện, Khoa Điện - Điện Tử

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Phân bố công suất trong hệ thống điện khi có sự tham gia của các thiết bị FACTS

I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Trong lĩnh vực hệ thống điện, bài toán phân bố công suất là bài toán rất quan trọng Nó sẽ có ích cho việc qui hoạch, thiết kế phát triển hệ thống điện trong tương lai cũng như việc tính toán các chế độ vận hành tốt nhất của hệ thống điện, khảo sát các chế độ vận hành trước và sau sự cố, điều chỉnh điện áp và công suất Kết quả của bài toán phân bố công suất là xác định được giá trị điện áp và góc pha tại các nút, xác định được dòng công suất chạy trên các đường dây Các phương pháp đã được áp dụng để giải bài toán phân bố công suất như là phương pháp Gauss - Seidel, phương pháp Newton - Raphson

Để hiểu và tính toán bài toán phân bố công suất thì cần phải phân biết các loại nút có trong hệ thống điện Có ba loại nút trong hệ thống điện cần biết là:

 Nút cân bằng: là loại nút máy phát điện đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi của phụ tải Dựa vào bộ điều tốc rất nhạy, máy phát điện cân bằng có khả năng tăng tải hay giảm tải nhanh chóng và kịp thời theo yêu cầu của hệ thống điện Đối với nút cấn cân bằng cho biết trước được giá trị điện áp V và góc pha δ được chọn làm chuẩn có giá trị là 0 độ

 Nút máy phát: là loại nút biết trước được giá trị công suất tác dụng P mà máy phát phát ra và điện áp V

 Nút phụ tải: là loại nút biết trước được công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của tải yêu cầu

Trong những năm gần đây, các ngành kỹ thuật điện đã phát triển rất mạnh mẽ Có thể kể đến như là lĩnh vực điện tử công suất, phát triển các nguồn năng lượng mới, điều khiển tự động… Từ đó đã cho ra đời các thiết bị điện mới tham gia vào hệ thống điện để thực hiện việc điều khiển, bù công suất phản kháng nhằm nâng cao khả năng truyền tải điện, tính ổn định của hệ thống điện… Khi các thiết bị điện mới tham gia vào hệ thống điện thì bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện cũng trở nên phức tạp hơn Vì lý do đó, đề tài này tiến hành nghiên cứu và xem xét bài toán phân bố công suất khi có các thiết bị FACTS tham gia vào hệ thống điện Các thiết bị FACTS được áp dụng rộng rãi như là SVC, STATCOM, TCSC và UPFC

Đề tài sẽ trình bày mô hình xác lập của các thiết bị FACTS Tiếp theo là trình bày về bài toán phân bố công suất có xét đến các thiết bị FACTS, các phương trình hàm dư sẽ được trình bày để áp dụng vào việc giải bài toán Sau đó phần mô phỏng mạng điện 22 nút được tiến hành để kiểm chứng kết quả bằng phần mềm MATLAB Các chương trình phần mềm được viết trên MATLAB để giải bài toán phân bố công suất được dựa trên phương pháp Newton - Raphson

Khác với những chương trình tính toán công suất trước đây, chương trình tính toán phân bố công suất được trình bày ở đề tài này được phát triển dựa vào việc mô hình các thiết bị FACTS ở trạng thái xác lập chỉ sử dụng các điện áp nút trong hệ thống điện như là các biến số Điều này dẫn đến có được hai thuận lợi so với các chương trình tính toán trước đây Thuận lợi đầu tiên là liên quan đến việc ước lượng giá trị ban đầu của các biến số trong quá trình tính toán phân bố công suất sử dụng phép lặp Newton - Raphson Các biên độ và góc pha ban đầu của điện áp nút tương ứng có thể cài đặt có giá trị là 1 và 0 Thuận lợi thứ hai của việc sử dụng các điện áp nút như là các biến số là tránh được sự suy biến của ma trận Jacobi trong

quá trình giải toán [2], [3]

Khái niệm FACTS lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1986 dùng để điều khiển điện áp, điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải điện, nâng cao khả năng truyền tải và cải tiến ổn định cho hệ thống điện [4] Các thiết bị FACTS được dùng phổ biến trong hệ thống điện như SVC, TCSC, STATCOM và UPFC sẽ được mô hình ở trạng thái xác lập trong phần này

1 Mô hình SVC:

Mặc dù khái niệm thiết bị FACTS được biết từ năm 1986 nhưng SVC được dùng từ kể từ những năm đầu 1960 Ban đầu SVC được dùng để bù công suất cho các tải công nghiệp loại lớn Vào những năm cuối năm 1970 SVC được áp dụng điều khiển điện áp và ổn định cho đường dây truyền tải điện Kể từ đó đến nay SVC được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện Mô hình tiêu biểu của SVC như hình 1

Hầu hết SVC kết nối vào đường dây truyền tải thông qua máy biến áp tăng áp Tại nút hạ áp như hình 1 thì có ba thiết bị nối vào là bộ lọc sóng hài, TSCs và TCR

1.1 TCR

Sơ đồ TCR một pha gồm có hai thyristor mắc đối song với nhau và nối tiếp với điện kháng như hình 2 Điện kháng của cuộn kháng kết hợp với cách điều

khiển đóng cắt các thyristor tạo ra giá trị điện kháng cho TCR Giá trị này phụ thuộc vào góc kích:

.( )

LTCR

2



1.2 TSCs

Các thyristor trong mô hình có chức năng đóng cắt để cung cấp lượng bù theo yêu cầu TSCs kết hợp với TCR tạo ra miền liên tục mang cả tính cảm kháng và dung kháng

Trên quan điểm vận hành, SVC có thể xem như điện kháng có thể thay đổi được mắc shunt để phát hoặc thu công suất phản kháng nhằm điều chỉnh điện áp tại điểm nối với đường dây truyền tải Sơ đồ của SVC như hình 3

SVC ở chế độ xác lập có chức năng điều khiển điện áp được biểu diễn theo đường đặc tính V-I như hình 4

Vùng điều khiển được biểu diễn bởi giới hạn điện nạp mang tính dung kháng và giới hạn điện nạp mang tính cảm kháng, biên độ điện áp tại nút cao áp được điều khiển theo hàm sau:

VLSVC

ISVC

PLSVC

VHSVC và VrefSVC tương ứng là biên độ điện áp của nút cao áp và điện áp tham chiếu

aSVC là độ dốc điện kháng ISVC là dòng điện SVC phía nút cao áp

Dòng điện SVC được tính như sau:

2

jH S V C kL S V C kS V C k

ZSVCk là tổng trở rò của SVC hợp bộ với máy biến áp

Nếu bỏ qua tổn thất công suất tác dụng của SVC thì dòng điện SVC chỉ mang tính kháng tức là nó vuông góc với điện áp nút cao áp của SVC Dòng điện này sớm pha hơn điện áp góc 90o nếu nó mang tính dung kháng và chậm góc 90onếu nó mang tính cảm kháng Dòng điện ISVC là đại lượng đại số ISVC ở phương trình (3) sẽ mang dấu dương nếu có tính cảm và mang dấu âm nếu mang tính dung

0 VrefSVC

Miền có tính dung Miền có tính cảm

Từ đường đặc tính hình 4 thấy rằng giới hạn hoạt động của SVC có liên quan đến điện nạp của SVC Điện nạp của SVC được nhìn từ nút cao áp SVC có thể biểu diễn theo điện áp nút:

SVCSVC

HSVC

IB

Ở chế độ xác lập, phương trình thứ hai liên quan đến công suất tác dụng bơm vào nút hạ áp của SVC Trên thực tế, tổn thất công suất tác dụng của SVC nhỏ nên có thể được bỏ qua Từ đó ta có phương trình:

*

2

.R e LSV C kH SVC kL SVC k 0

ZSVCk là tổng trở rò của SVC hợp bộ với máy biến áp

2 STATCOM

STATCOM đầu tiên xuất hiện vào năm 1980 và về sau được triển khai mạnh mẽ ứng dụng trong hệ thống điện dùng để bù, cải thiện điện áp và ổn định [9]-[10] Nguyên tắc cơ bản của STATCOM là dùng VSC dựa vào các linh kiện điện tử công suất như GTO, IBGT có khả năng đóng ngắt dòng điện Điều này làm cho STATCOM sinh ra nguồn áp AC ngay đầu cực bộ biến đổi điện theo tần số cơ bản mong muốn với độ lớn điều chỉnh được Sơ đồ của STATCOM như hình 5:

Hiện nay có một số cấu trúc của VSC được dùng thực tế trong vận hành hệ thống điện Hình 6 là cấu trúc ba pha điều khiển toàn phần gồm có sáu GTO mắc đối song với sáu Diode Với mục tiêu là tạo sóng điện áp đầu ra càng giống hình sin càng tốt, các khóa GTO của VSC được điều khiển bằng mô-đun điều khiển sao cho sóng hài được sinh ra là nhỏ nhất khi vận hành VSC và cũng cần có thêm các bộ lọc

Sự khác biệt điện áp hai đầu máy biến áp sinh ra sự trao đổi công giữa hệ thống điện và STATCOM Sự trao đổi công suất phản kháng với hệ thống điện là nhờ vào việc điều chỉnh độ lớn nguồn áp còn sự trao đổi công suất tác dụng là do điều chỉnh góc pha của nguồn áp

Mục tiêu ở chế độ xác lập của STATCOM là điều khiển điện áp, có đặc tính được biểu diễn theo điện áp và dòng điện như hình 7 và có giới hạn dòng điện vận hành được qui định bởi giới hạn dòng điện của các linh kiện bán dẫn cấu thành

SVC

Hình 6: Cấu trúc VSC

+ Đầu ra

- Va

-Vb Vc

Hình 5: Cấu tạo STATCOM

HSTA

Bộ biến đổi

K L

Giống như SVC, phương trình đầu tiên của mô hình STATCOM là hàm điện áp trong đó có giới hạn dòng điện ISTA min và ISTA max:

ISTA là dòng điện STATCOM, là giá trị đại số được xác định như dòng điện của SVC

ZSTAk là tổng trở rò của STATCOM hợp bộ với máy biến áp Phương trình thứ hai mô tả STATCOM ở chế độ xác lập có liên quan đến công suất tác dụng bơm vào nút hạ áp của STATCOM Do tổn thất công suất tác dụng của STATCOM nhỏ nên có thể bỏ qua, ta có phương trình:

0 (Miền mang tính cảm) (Miền mang tính dung)

VSTA ref

HSTAV

Điện áp bảo vệ cận dưới

Điện áp bảo vệ cận trên

Hình 7: Đặc tính V - I

Mô hình tiêu biểu TCSC như hình 8

Mô hình TCSC bao gồm tụ điện được mắc nối tiếp với đường dây truyền tải điện và song song với TCR, có thêm MOV để bảo vệ quá điện áp cũng được mắc song song với tụ điện Ở hình 8 XC và XL tương ứng là điện kháng của tụ điện và của TCR

TCSC có ba chế độ vận hành tùy thuộc vào tình trạng dẫn của các thyristor

3.1 Chế độ thyristor dẫn hoàn toàn: Ở chế độ này, các thyristor được

điều khiển dẫn hoàn toàn nên mô hình TCSC lúc này như là điện kháng bypass bao gồm XL song song với XC hay gọi là điện kháng bypass:

Hình 8: Mô hình TCSC

XLMOV

XC

3.2 Chế độ khóa thyristor: Ở chế độ này, các thyristor bị khóa không

cho dòng điện qua nhánh chứa TCSC nên mô hình TCSC lúc này chỉ còn chứa tụ mắc nối tiếp nên mô hình TCSC tương đương như là tụ điện Giá trị điện kháng ở chế độ này là XC , mang tính dung

3.3 Chế độ thyristor dẫn từng phần: Đây là chế độ thông dụng của

TCSC Điều khiển góc kích các thyristor một cách thích hợp cho phép TCSC vận hành như là điện kháng mang tính dung hoặc mang tính cảm có thể điều khiển liên tục Tuy nhiên, liên quan đến vùng cộng hưởng giữa chế độ mang tính dung và chế độ mang tính cảm, việc chuyển từ chế độ này sang chế độ khác bị cấm Mối quan hệ giữa điện kháng TCSC và góc kích cho hình 9

Ở chế độ thyristor dẫn từng phần, điện kháng của TCSC gồm tụ điện XC

song song với điện kháng XTCSC(α) có thể thay đổi được nhờ góc kích α

cộng hưởng

αr

XTCR(αr ) + XC = 0 XT

Hình 9: Đặc tính X - α

αC lim

  

 

CTC RTCS C

X XX







Trong đó αr là góc kích tạo ra cộng hưởng, tức là XTCR(αr) + XC = 0 αL lim và αC lim lần lượt là góc kích giới hạn của miền mang tính cảm và miền mang tính dung Góc kích giữa αL lim và αC lim là bị cấm

XL lim và XC lim lần lượt là điện kháng giới hạn mang tính cảm và điện kháng mang tính dung ứng với góc kích αL lim và αC lim

Ngoài giới hạn điện kháng liên quan đến sự cộng hưởng đã nói ở trên, sự vận hành của TCSC còn bị hạn chế bởi bảo vệ quá điện áp MOV áp đặt giới hạn điện áp lên cho sự vận hành của TCSC ở miền mang tính dung Sóng hài và định mức dòng điện của thyristor cũng giới hạn sự vận hành của TCSC ở vùng mang tính cảm

Hình 10 cho thấy đặc tính V - I của TCSC một pha Khi xét đến giới hạn góc kích của thyristor, giới hạn điện áp vận hành an toàn tụ điện và giới hạn dòng điện của thyristor thì vùng làm việc cho phép của TCSC có dạng là mặt phẳng theo điện áp - dòng điện

Trong đó:

Cấp bảo vệ MOV

Hình 10: Đặc tính V - I

Góc kích cực đại

Không có dòng thyristor (độ dốc = XC)

Thyristor dẫn hoàn toàn (độ dốc = Xbypass)

Dòng điện

Dòng điện cực đại thyristor

Góc kích cực đại

giới hạn nhiệt do sóng hài

Hoạt động khi xác lập hay hoạt động liên tục: Hoạt động khi quá độ dài hạn:

Hoạt động khi quá độ ngắn hạn: Giới hạn hoạt động của TCSC cũng bị ràng buộc khi xét đến mối quan hệ giữa điện kháng và dòng điện của nó như hình 11

Đối với mô-đun một đơn, nó có khe hở trong vùng điều khiển giữa điện kháng XC và điện kháng Xbypass vì khu vực này không tồn tại góc kích thyristor Điều này đã hạn chế ứng dụng của TCSC trên đường dây truyền tải điện, nơi mà sự thay đổi nhuyễn điện kháng của đường đây truyền tải có sự tham gia TCSC là rất cần thiết

Để xóa bỏ khe hở này thì TCSC cần phảidùng nhiều mô-đun Bằng cách đó, vùng chuyển đổi liên tục từ miền mang tính dung đến miền mang tính cảm trở nên khả thi

Mô hình của TCSC ở chế độ xác lập được biểu diễn như là kháng điện thay đổi được mắc nối tiếp với đường dây truyền tải điện như hình 12:

TCSC có thể được ứng dụng để bù điện kháng đường dây truyền tải điện đến mức độ nào đó hoặc dùng để điều khiển dòng công suất tác dụng với giá trị đã định

Khi được ứng dụng để bù điện kháng, TCSC được biểu diễn như là một nhánh được mắc nối tiếp và có giá trị điện kháng tùy vào mức độ bù của đường dây truyền tải

Khi được ứng dụng điều khiển dòng công suất, điện kháng của TCSC là biến điều khiển và mục tiêu điều khiển được cho bởi hàm điều khiển sau:

linelinesp

Trong đó: Plinesp là công suất tác dụng đã định Pline là công suất trên đường dây truyền tải điện nơi mà TCSC được dùng để điều khiển dòng công suất của nó đạt giá trị đã định Pline là hàm của điện áp tại nút đầu phát và nút đầu nhận của đường dây truyền tải điện

Giới hạn vận hành của TCSC liên quan đến điện kháng của nó và có thể được biểu diễn bằng các bất đẳng thức sau:

Trong đó: XTCSCmin và XTCSC max lần lượt là giá trị cực tiểu điện dung và cực đại điện kháng của TCSC Chúng là giới hạn phụ thuộc vào dòng điện trên đường dây truyền tải điện Nếu TCSC đạt đến giới hạn thì hàm điều khiển ở phương trình (14) không còn phù hợp và TCSC như là điện kháng có giá trị xác định là giá trị tới hạn

4 UPFC

Trong những phần trước đã trình bày mô hình xác lập của các thiết bị FACTS được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện như SVC, STATCOM và TCSC Các thiết bị FACTS này có thể là bù nối tiếp hoặc bù shunt cho đường dây

truyền tải điện Cùng với sự phát triển của kỹ thuật VSC, việc kết hợp bù shunt và bù nối tiếp trở nên khả thi để trở thành một thiết bị hợp bộ được gọi được là UPFC UPFC luôn được cải tiến và ứng dụng trong hệ thống truyền tải điện để thực hiện các chức năng của nó

Khái niệm UPFC đầu tiên được đề ra là của Gyugyi vào năm 1991[11] Khác với SVC, STATCOM và TCSC chỉ có thể là bù nối tiếp hoặc bù shunt cho đường dây truyền tải điện Nhờ sự phát triển kỹ thuật VSC (voltage source converter), việc kết hợp bù shunt và bù nối tiếp trở nên khả thi để trở thành một thiết bị hợp bộ được gọi được là UPFC UPFC luôn được cải tiến và ứng dụng trong hệ thống truyền tải điện UPFC có khả năng điều khiển đồng thời hay chọn lọc các chức năng như điều khiển điện áp, điều khiển độc lập dòng công suất tác dụng và dòng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải điện

Có rất nhiều mô hình UPFC đã được trình bày trong các bài báo trước đây như mô hình phân lập UPFC, mô hình UPFC hai nguồn áp và mô hình PIM UPFC Tuy nhiên những mô hình trước đây còn có một số khuyết điểm Đề tài này sẽ trình bày mô hình điện áp nút UPFC [1] Mô hình này sẽ khắc phục các bất lợi và loại bỏ các giới hạn có ở những mô hình trước đây gặp phải trong bài toán điều khiển và phân bố công suất Sơ đồ cấu trúc và mô hình điện áp nút UPFC được vẽ tương ứng như hình 13 và hình 14

Hình 13: Sơ đồ cấu trúc UPFC

+

-Bộ điều

Biến đo lường Thông số cài đặt Tham chiếu

Tín hiệu đóng cắt Bộ biến đổi shunt Bộ biến đổi nối tiếp

Đường dây truyền Máy biến áp

Để có được sự linh hoạt theo yêu cầu của mô hình UPFC bằng việc biểu diễn một dải rộng của các hàm điều khiển Các nguyên tắc sau đây được thông qua trong mô hình phát triển:

 Thành lập các phương trình dựa vào các ràng buộc được áp đặt bởi mạch hình 14

 Thanh lập các phương trình có xét đến các bước lập giữa bộ biến đổi shunt và bộ biến đổi nối tiếp dưới dạng trao đổi công suất tác dụng thông qua liên kết DC

 Thành lập các phương trình để biểu diễn các hàm điều khiển riêng được cung cấp bởi UPFC

Các biến trong các phương trình là các biến điện áp nút, các giá trị ban đầu của chúng đễ dàng ước lượng so sánh với giá trị nguồn điện áp nối tiếp

Tổng quát nút K trong hình 14 được xem như là loại nút tải có các phương trình công suất tác dụng và công suất phản kháng:

VEVK

Hình 14: Mô hình điện áp nút UPFC

Đường dây truyền tải điện

VF

E

PKsp và QKsp tương tứng là công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút K

VK và Vi tương ứng là điện áp của nút K và nút i YKi là phần tử (K,i) trong ma trận tổng dẫn nút

Theo như việc bỏ qua nguồn điện áp nối tiếp, ràng buộc được áp đặt lên các dòng điện nút IF và IL ở hình 14 là

0

FL

I I  (18) Dòng điện nút IF và IL được biểu diễn dưới dạng điện áp nút

I Y V V (19)

LLiiiI Y V (20) Trong đó:

YB = 1/ZB, ZB là tổng trở rò của máy biến áp kết hợp với bộ biến đổi nối tiếp

Re V VEE VK YE Re VL VFVK VF YB 0 (23) Ngoài ra còn có các phương trình điều khiển UPFC và bất phương trình ràng buộc của UPFC tương ứng cho ở bảng 1 và bảng 2:

1 Điều khiển biên độ

Điều khiển điện áp tại nút K, hình 10

2 Điều khiển biên độ điện áp có độ dốc đặc tính

|VK|=Vref + XS.IEq

Điều khiển điện áp có xét đến độ dốc điện kháng XS

3 Điều khiển công suất phản kháng phát ra

Im{VK(VE - VK)* Y*E} = QShref

Điều khiển công suất phản kháng phía nút cao áp của máy biến áp hợp bộ với bộ biến đổi shunt cung cấp vào hệ thống điện

4 Điều khiển công suất phản kháng Im{VL∑(YLiVi)

*

} = Qref

Điều khiển công suất phản kháng trên đường dây truyền tải điện

5 Điều khiển công suất tác dụng Re{VL∑(YLiVi)

*

} = Pref

Điều khiển công suất tác dụng trên đường dây truyển tải điện

6 Điều khiển biên độ điện áp tại đầu cực đường dây truyền tải điện

|VL|=VLref và θL = θK

Điều khiển độ lớn điện áp đường dây truyền tải điện, trong khi góc pha đường dây được giữ bằng với góc pha điện áp phía cao áp của máy biến áp hợp bộ với bộ biến đổi shunt

7 Điểu khiển góc pha đường dây truyền tải điện

VL=VKejαref

Điều khiển sự khác biệt góc pha giữa điện áp nút cao áp máy biến áp hợp bộ với bộ biến đổi shunt và điện áp đường dây truyền tải điện

8 Bù nối tiếp Re{(VL - VF)Y

*B(VK - VF)*}=0

Điện áp nối tiếp được bơm vào vuông góc với dòng điện trên đường dây truyền tải điện, nghĩa là công suất tác dụng liên quan đến bộ biến đổi nối tiếp bị triệt tiêu

Bảng 1: Các hàm điều khiển

STT Ràng buộc Bất phương trình Ghi chú

1 Giới hạn dòng

điện bộ biến đổi shunt ở dạng động

|IEp|≤IEmax và |IEq|≤[I2Emax - I2Eq ]0.5Trong đó:

IEp=Re{(VE-VK)YEe-jθE } IEq=Re{(VE-VK)YEe-jθE }

Giới hạn trên đối với thành phần tác dụng dòng điện bộ biến đổi shunt được ưu tiên hơn so với thành phần phản kháng

2 Giới hạn sự trao

đổi công suất

|PE|≤PEmax

Trong đó: PE=Re{VE(VE-VK)*Y*E}

Sự trao đổi công suất tác dụng giữa hai bộ biến đổi có giới hạn trên được xác định bởi định mức của liên kết DC

Biên độ của điện áp nối tiếp bơm vào giới hạn bởi điện áp định mức cực đại của bộ biến đổi nối tiếp

Dòng điện của bộ biến đổi nối tiếp có giá trị cực đại cho phép

5 giới hạn điện áp

đường dây

VLmin≤|VL|≤VLmax

Biên độ điện áp nút phía đường dây phải nằm trong giới hạn cho phép

Bảng 2: Các bất phương trình

Mô hình ở hình 15 có 04 biến điện áp nút có dạng phức chưa biết là VK, VE, VF và VL Cho nên cần phải hình thành 08 phương trình độc lập ở dạng thực liên quan đến hình 15 Từ các ràng buộc của mạch và sự tương tác giữa hai bộ biến đổi của UPFC có năm phương trình độc lập được hình thành là (16), (17), (21), (22) và (23) Cần thêm ba phương trình được hình thành từ các hàm điều khiển riêng biệt của UPFC

Trong khuôn khổ đề tài này sử dụng trường hợpđiều khiển điện áp tại nút K, dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây nên cần thêm

phương trình có số thứ tự là 1, 4 và 5 trong bảng 1 Như vậy là mô hình xác lập UPFC đã được xác định với 08 phương trình nêu trên

Khi có các thiết bị FACTS tham gia vào trong hệ thống điện thì ma trận Jacobi mở rộng sẽ có dạng như sau

1 Khi có SVC tham gia vào hệ thống điện

Từ mô hình xác lập của SVC ở phần trước, ta lấy đạo hàm riêng phần hai

phường trình (2) và (6) theo |V| và θ, ta thành lập được hệ phương trình các SVC

Trong đó: PLSVC là công suất tác dụng tại các nút phía hạ áp K ở hình 3 của

các SVC, là một hàm của |V| và θ, ở chế độ xác lập nó bằng không khi tổn thất các SVC được bỏ qua; |VHSVC| là vectơ của các biện độ điện áp tại các nút phía cao áp

Hệ thống điện AC

Các thiết bị FACTS x1 … xn AC r1 … rnF

Hình 15: Ma trận Jacobi mở rộng

L ở hình 3 của các SVC; aSVC là ma trận đường chéo mà các phần tử đường chéo là

độ dốc điện kháng của các SVC; ISVC là vectơ dòng điện của các SVC; ΔVrefSVC là vectơ các sự thay đổi điện áp của các điện áp tham chiếu tại các SVC

Khi hệ thống điện chỉ có thêm nSVC SVC được gắn vào thì số nút sẽ tăng thêm nSVC nút Cho nên trong ma trận Jacobi sẽ tăng thêm 2nSVC hàng và 2nSVC cột

2 Khi có STACOM tham gia vào hệ thống điện

Tương tự SVC, từ mô hình xác lập của STATCOM ta thành lập hệ phương trình các STATCOM dựa vào hai phương trình (7) và (10) dưới dạng vectơ Lấy

đạo hàm riêng phần của (7) và (10) theo |V| và θ ta có:

Trong đó: PLSTA là vectơ công suất tác dụng tại các nút phía hạ áp K ở hình

5 của các STATCOM, là một hàm của |V| và θ, ở chế độ xác lập nó bằng không khi tổn thất các SVC được bỏ qua; |VHSTA| là vectơ độ lớn điện áp tại nút cao áp

của các STATCOM; aTCSC là ma trận đường chéo mà các phần tử đường chéo là

độ dốc điện kháng của các STATCOM; ISTA là vectơ dòng điện của các STATCOM

Cũng giống như SVC thì khi gắn STATCOM vào hệ thống điện, thì số nút và ma trận Jacobi thay đổi Hệ thống điện chỉ có thêm nSTA STATCOM được gắn vào thì số nút sẽ tăng thêm nSTA nút, còn ma trận Jacobi sẽ tăng thêm 2nSTA hàng và 2nSTA cột

3 Khi có TCSC tham gia vào hệ thống điện

Từ mô hình xác lập của TCSC, ta thấy TCSC khi được kết nối vào hệ thống điện thì ma trận tổng dẫn nút sẽ có thêm phần tử điện kháng XTCSC Trong khi đó,

hệ phương trình lấy đạo hàm riêng theo |V| và θ của TCSC được viết dưới dạng

vectơ như sau:

hàng và 2nTCSC cột

4 Khi có UPFC tham gia vào hệ thống điện

Từ mô hình xác lập của UPFC đã được trình bày ở hình 15, ta có 6 phương trình biểu diễn mô hình điện áp nút của UPFC ở chế độ xác lập là các phương trình (12), (13), (14), (15), (16) và phương trình số thứ tự 1 trong bảng 1 Có thể viết chúng dưới dạng hàm dư như sau:

Phần này sẽ tiến hành tính toán phần bố công suất hệ thống điện 22 nút bằng phần mềm MATLAB Trong đó, hệ thống điện có 01 nút cân bằng, 05 nút máy phát và 16 nút tải Một SVC đặt tại nút 17, một STATCOM đặt tại nú 10 và một UPFC đặt trên đường dây nối giữa hai nút 5 và nút 7

Các giới hạn về công suất phản kháng của 05 máy phát, thông số của SVC, thông số của STATCOM và thông số của UPFC tương ứng cho ở bảng 3, bảng 4, bảng 5 và bảng 6

Bảng 3: Giới hạn công suất phản kháng của các máy phát theo cơ bản 100 (MVA)

Bảng 4: Thông số của SVC theo cơ bản 100 (MVA)

STT Nút Uref Imin Imax

Bảng 6: Thông số của UPFC theo cơ bản 100 (MVA)

Khi có thiết bị FACTS tham gia vào hệ thống điện thì số nút trong hệ thống sẽ thay đổi Cụ thể là SVC đặt tại nút số 17 thì sẽ có thêm nút hạ áp của SVC là nút 23; STATCOM gắn vào nút 10 thì cũng thêm nút hạ áp của nó là nút 24; UPFC đặt trên đường dây giữa nút 5 và nút 7 nên sẽ có thêm 3 nút là nút 25, nút 26 và nút 27 như đã phân tích ở mô hình điện áp nút của UPFC Tóm lại hệ thống lúc này sẽ có

tổng cộng là 27 nút

Sau 05 vòng lặp bài toán hội tụ và kết quả điện áp, góc pha tại các nút như sau:

Hình 17: Điện áp và góc pha tại các nút

Thông số mạng điện 22 nút xem phụ lục A Kết quả phân bố công suấtchi tiết xem thêm ở phần phụ lục B

Đề tài đã trình bày mô hình điện áp nút của các thiết bị FACTS Kết hợp chúng cùng với mô hình các phần tử cơ bản trong hệ thống điện, Đề tài đã tính toán phân bố công suất cho hệ thống điện khi có sự tham gia của thiết bị FACTS Việc sử dụng điện áp nút như là các biến số trong quá trình tính phân bố công suất đã mang lại những thuận lợi nhất định Đó là dễ dàng cho việc ước lượng giá trị ban đầu về biên độ và góc pha của điện áp tại các nút trong quá trình tính toán Thuận lợi tiếp theo là tránh được tình trạng suy biến của ma trận Jacobi Một điều cần quan tâm nữa là số nút trong hệ thống và ma trận Jacobi sẽ thay đổi khi có thiết bị FACTS tham gia vào hệ thống điện Hệ thống điện có nSVC SVC, nSTA STATCOM, nTCSC

TCSCvà nUPFC UPFC thì số nút của hệ thống tăng thêm (nSVC + nSTACOM + nTCSC

+3.nUPFC) nút Ma trận Jacobi cũng sẽ tăng số hàng và số cột Chương trình tính toán phân bố công suất được viết trên bằng chương trình phần mềm MATLAB sau khi đã tìm hiểu các thuật toán phân bố công suất như Gauss - Seidel, Newton - Raphson

Đề tài đã tiến hành mô phỏng cho mạng điện 22 nút có sự tham gia của các thiết bị FACTS Chương trình cũng được tiến hành chạy cho các mạng điện khác nhau, kết quả chương trình vẫn chạy tốt

Hướng phát triển tiếp theo của bài báo này chính là quan tâm đến việc sử dụng các thiết bị FACTS để điều khiển điện áp tại các nút; điều khiển dòng công suất tác

dụng và công suất phản kháng trên đường dây

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Van Liem Nguyen: “Modeling and control coordination of power systems with FACTS devices in steady-state operation mode”, Energy Systems Centre Shool of Elctrical, Electronic and Computer Engineering, 2008

[2] Fuerte-Esquivel, C.R., Acha, E.: “Unified power flow controller: a critical

comparation if Newton- Raphson UPFC algorithms in power flow studies”, IEE

Pro.-Gener Trans.Distrib 1997,144,(5),pp.437-444

[3] Nguyen, T.T., Nguyen, V.L.: “Representation of line optimisation control in

unified power flow controller model for power-flow analysis”, IET Gener

Transm.Distrib.,2007,1,(5), pp.714-723

[4] Hingorani, N.G.: “FACTS - Flexible AC transmission system”, Proc IEE Fith Int.Conf.AC and DC Power transmission, London, UK, September 1991, pp.1-7

[5] Edris, A., and task Force members: “Proposed term and definitions for

flexible AC transmission system (FACTS)”, IEEE Trans Power Deliv., 1997,

12, (4), pp.1848 - 1853 [6] “Modeling of Power Electronics Equiment (FACTS) in Load Flow and Stability Programs: a Representation Guide for Power System Planning and Analysis”, Task Force 38.01.08; Cigre, 1999

[7] Hingorani, N.G and Gyugyi, L.: Understanding FACTS: Concepts and

technology of flexible AC transmission systems, IEEE Pess, USA, 1999

[8] Nguyen, T.T., and Nguyen, V.L.: “Power system security restoration by secondary control”, Proc.IEEE PES General Meeting, Florida, USA, June 2007 [9] Yoshihiko, S., Yoshinobu, H., Hasegawa, T., et al.: “New static VAR control using force - commutated inverters”, IEEE PES General Meeting, Florida, USA, June 2007

[10] Edwards, C.W., Mattern, K.E., Stacey, E.J., Nannery, P.R., and Gubernick,

J.: “Advanced state Var generator employing GTO thyristors”, IEEE Trans

Power Deliv., 1988, 3 ,(4), pp 1622 - 1627

[11] Gyugyi, L.: “Unified power - flow control concept for flexible AC

transmission system” IEE Proc-C, 1992, 139, (4), pp.323 - 331

 Chương trình tính toán phân bố công suất được viết trên bằng chương trình phần mềm MATLAB sau khi đã tìm hiểu các thuật toán phân bố công suất như Gauss - Seidel, Newton - Raphson

 Đề tài đã tiến hành mô phỏng cho mạng điện 22 nút có sự tham gia của các thiết bị FACTS Chương trình cũng được tiến hành chạy cho các mạng điện khác nhau, kết quả chương trình vẫn chạy tốt

 Hướng phát triển tiếp theo của bài báo này chính là quan tâm đến việc sử dụng các thiết bị FACTS để điều khiển điện áp tại các nút; điều khiển dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây

Về phần kiến nghị:

 Kết quả đề tài làm tài liệu cho sinh viên các trường đại học cần nghiên cứu các về vấn đề liên quan đến lĩnh vực hệ thống điện, FACTS

Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2012 Tp.HCM, ngày tháng năm

(Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG PHÒNG KHCN&DA