Đề tài luận văn: NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRÊN CƠ SỞ DÒNG NHÁNH ÁP DỤNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI SỬ DỤNG TCSC

Thông tin chính có được từ việc khảo sát phân bố công suất là trị số điện áp và góc pha tại các thanh cái, dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trên các nhánh.. Ngày nay, cùng

Trang 5

Chương I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Phân bố công suất là bài toán quan trọng trong quy hoạch, thiết kế phát triển hệ thống trong tương lai cũng như trong việc xác định chế độ vận hành tốt nhất của hệ thống hiện hữu Thông tin chính có được từ việc khảo sát phân bố công suất là trị số điện áp và góc pha tại các thanh cái, dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trên các nhánh Tuy vậy, nhiều thông tin phụ thêm cũng được tính toán bằng chương trình máy tính

Với nhiều ưu điểm nổi bật như dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng lượng khác,

dễ dàng trong sản xuất, truyền tải và sử dụng Do đó, điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới Vì vậy, hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội Cùng với xu thế toàn cầu hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về công suất giới hạn

Theo dự báo của lưới điện Quốc gia ngành điện vẫn còn thiếu điện, cả công suất tác dụng và công suất phản kháng Mặt khác, hiện nay nhiều nhà máy ngoài ngành điện, vì lợi ích cục bộ, chủ yếu phát công suất tác dụng lên lưới, gây thiếu hụt công suất phản kháng rất lớn cho hệ thống Trong thời gian gần đây, dư luận quan tâm nhất là vấn đề thiếu điện và tăng giá điện Để góp phần giải quyết hai vấn đề này, ngành điện đang tích cực bù công suất phản kháng lưới điện phân phối:

- Bù công suất phản kháng sẽ tăng công suất phát cho các nhà máy điện, tăng khả năng tải cho các phần tử mang điện, giảm tổn thất công suất góp phần khắc phục thiếu điện

- Bù công suất phản kháng sẽ giảm chi phí đầu tư nguồn và nâng cấp lưới điện, giảm tổn thất điện năng góp phần bình ổn giá điện

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các linh kiện bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện áp cũng như điều khiển dòng công suất của hệ thống điện Các thiết bị thường dùng là: thiết bị bù tĩnh có điều khiển (SVC), thiết bị điều khiển dòng công

Việc nghiên cứu thiết bị bù dọc TCSC có điều khiển với việc nâng cao ổn định

và khả năng truyền tải của hệ thống điện Việt Nam là rất cần thiết Khả năng truyền tải của lưới điện phân phối và các tiêu chí kỹ thuật liên quan như điện áp vận hành,

ổn định, tổn thất công suất trên đường dây, là những vấn đề được các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết kế, vận hành đặt biệt quan tâm TCSC có khả năng thay đổi nhanh chóng tổng trở đường dây Vì vậy, việc lắp đặt TCSC ở một số nút quan trọng là giải pháp hữu hiệu để tăng khả năng truyền tải và phân phối của lưới điện Nhằm

mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện Bản luận văn sẽ nghiên cứu việc sử dụng TCSC và áp dụng tính toán phân bố công suất trên lưới điện phân phối 22 kV Việt Nam bằng phương pháp dòng nhánh (LFB), phương pháp Newton – Raphson và phương pháp Gauss – Seidel

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

− Đối tượng nghiên cứu: Nguyên lý làm việc và mô hình thiết bị TCSC

− Phạm vi nghiên cứu: Tính toán phân bố công suất của hệ thống điện có sử dụng TCSC bằng phương pháp dòng nhánh

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

− Nghiên cứu nguyên lý làm việc và mô hình thiết bị TCSC

− Xây dựng thuật toán tính toán phân bố công suất của hệ thống điện có sử dụng thiết bị TCSC

− Ứng dụng thuật toán mới xây dựng tính toán phân bố công suất hệ thống điện phân phối có sử dụng thiết bị TCSC

Trang 7

1.4 Phương pháp nghiên cứu

− Trên cơ sở lý thuyết phương pháp dòng nhánh và mô hình tính toán của thiết bị TCSC, tiến hành xây dựng thuật toán tính toán phân bố công suất của hệ thống điện phân phối có sử dụng thiết bị TCSC

− Tính toán một số sơ đồ mẫu để kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán

1.5 Bố cục luận văn

Luận văn được trình bày theo các phần sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 2: Tổng quan về vấn đề sử dụng thiết bị TCSC trong hệ thống điện

Chương 3: Nguyên lý làm việc và mô hình của thiết bị TCSC

Chương 4: Phân bố công suất trong hệ thống điện

Trang 8

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ

FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Khái quát sự hình thành và phát triển của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt ( FACTS )

Trước đây các thiết bị bù thường không có tự động điều chỉnh điện áp, hoặc có điều chỉnh nhưng rất chậm (máy bù đồng bộ) hoặc bù từng nấc Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt kỹ thuật điện tử công suất như thyristor công suất lớn đó cho phép thực hiện các thiết bị bù điều khiển nhanh, thực

tế các thiết bị bù dùng thyristor có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị số định mức không quá 1/4 chu kỳ tần số điện công nghiệp

FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện

áp, hệ số công suất của hệ thống một cách nhanh chóng

Mặt khác việc định hướng phát triển hệ thống được căn cứ trên cơ sở dự báo phụ tải, tuy nhiên trong quá trình vận hành không phải lúc nào cũng đảm bảo cân bằng giữa cung và cầu dẫn đến tình trạng hệ thống điện sẽ có thời điểm bị quá tải Thêm vào đó, do khả năng tải của đường dây bị giới hạn bởi các yếu tố nhiệt độ, điện dung và độ ổn định, nếu không có sự điều khiển hợp lý, sẽ không tận dụng hết khả năng tải của các đường dây Việc sử dụng thiết bị FACTS sẽ góp phần giải quyết việc vận hành hệ thống điện một cách khoa học, nâng cao hiệu quả đường dây tải điện hiện có, đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra Đặc biệt ở những nơi yêu cầu về cung cấp điện an toàn và tin cậy

2.2 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS

Sử dụng thiết bị FACTS có các ưu điểm sau:

− Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho việc vận hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn

− Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo yêu cầu

− Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn nhiệt

− Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống

Trang 9

Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS là rất cao so với khả năng tài chính nước ta hiện nay Do đó, khi nghiên cứu áp dụng thiết bị FACTS cần phải phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp

2.3 Phân loại thiết bị FACTS

2.3.1 Thiết bị bù ngang (Shunt Devices): Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng

trở đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi

2.3.1.1 SVC (Static Var Compensator)

Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor SVC dựa trên các thyristors mà không có khả năng tắt cổng G được coi là một bộ lọc (bộ giảm chấn, bộ giảm xung) hoặc máy phát điện VAR tĩnh được kết nối song song Ngõ ra của chúng được điều chỉnh để trao đổi dòng điện điện dung hay điện cảm Là một thành phần quan trọng để điều chỉnh điện áp, nó thường được cài đặt tại thanh cái nhận Trong cách trình bày này, SVC đã được coi là một nhánh song song với một công suất bù phản kháng QSC được lắp đặt bằng các điện nạp cuộn cảm và điện dung sẵn có

2.3.1.2 STATCOM

STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSI-Voltage –Source Inverter), nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng cho hệ thống STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều khiển điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt (Vref) thông qua việc điều chỉnh điện áp và góc pha từ STATCOM

Bằng cách khống chế điện áp của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống, nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên Ngược lại, nếu điều khiển điện áp của STATCOM thấp hơn điện áp hệ thống, dòng điện và dòng công suất chạy từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện

Trang 10

2.3.2 Thiết bị bù dọc (Series Devices):

Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai Tất cả các thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút

2.3.2.1 TCSC ( Thyristor Controlled Series Capacitor )

Bộ bù dọc điều khiển bằng Thyristor (TCSC) được định nghĩa như là một bộ

bù dung kháng, trong đó bao gồm một dàn tụ điện được nối song song với một điện cảm được điều khiển bằng thyristor để cung cấp một dung kháng (tổng trở) bù dọc thay đổi một cách nhẹ nhàng Trong nghiên cứu dòng công suất xác lập, TCSC có thể được coi như một cuộn cảm hoặc tụ điện tĩnh cung cấp một điện kháng -jxc với một đường dây truyền tải l được bù dọc được thay thế bằng cách gộp các thông số tương đương hình π thành một khối Trong hầu hết các trường hợp, các điện nạp shunt này của một nhánh thường được bỏ qua Vì vậy, tụ điện tĩnh của TCSC sẽ được nối trực tiếp với trở kháng đường dây

Bộ bù dọc điều khiển bằng Thyristor (TCSC) được kết nối nối tiếp với đường dây Tác dụng của TCSC trong lưới điện được xem như điện kháng có khả năng điều khiển được lắp đặt trên đường dây truyền tải để bù trừ điện kháng cảm ứng của đường dây Do đó, làm giảm điện kháng của đường dây, tăng công suất truyền trên đường dây và làm giảm tổn thất công suất phản kháng Các bộ tụ nối tiếp còn góp phần cải thiện điện áp đường dây

2.3.2.2 TCVR (Thyristor Controlled Voltage Regulator)

TCVR được coi như bộ điều chỉnh điện áp thông thường Nó có thể thay đổi cường

độ điện áp một cách mềm mại với một đầu ra thay đổi trong phạm vi cho phép từ

αmin <αi <αmax Một mô hình tĩnh của TCVR với một tỷ số phân nhánh được kết nối với một trở kháng nối tiếp của đường dây phân phối

Hình 2.1 Mô hình tĩnh của TCVR

Trang 11

2.3.3 Thiết bị bù kết hợp nối tiếp - nối tiếp (Combined series – series Devices)

Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cùng cách thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp công suất phản kháng được

bù độc lập cho mỗi đường dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi qua nguồn liên kết Khả năng chuyển công suất tác dụng của thiết bị điều khiển nối tiếp – nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn, tận dụng tối đa hệ thống truyền tải

2.3.4 Thiết bị bù kết hợp nối tiếp - song song (Combined series – shunt Devices)

Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng rẽ được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng công suất với các phần tử nối tiếp

và song song Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện và hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện

áp trên đường dây với những phần tử bù nối tiếp

Thiết bị điều khiển dòng công suất được hợp nhất (UPFC): Thiết bị UPFC có thể thực hiện đầy đủ các chức năng phức tạp của việc kiểm soát dòng công suất bao gồm bù phản kháng nối tiếp, bù phản kháng song song, và chuyển đổi pha Nó có thể độc lập điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng bằng cách tích hợp vào một bộ điều khiển công suất tổng quát kết hợp các chức năng của TCSC, TCPAR và SVC, mà thiết bị UPFC có thể điều chỉnh độ lớn, vị trí góc và điện áp

bù vào trong thời gian thực tế Mục đích của việc này là để duy trì hoặc thay đổi dòng công suât tác dụng và phản kháng trên đường dây để đáp ứng nhu cầu phụ tải

và điều kiện vận hành hệ thống Thiết bị UPFC này bao gồm một bộ tụ bù nối tiếp

và một bộ tù song song Bộ tụ bù nối tiếp có thể điều chỉnh trở kháng lưới điện, độ lớn của điện áp thanh góp hoặc góc pha của điện áp thanh góp Bộ tụ bù song song

có thể được thay thế bằng việc bơm công suất phản kháng được yêu cầu vào mạng lưới hệ thống điện chẳng hạn như là một nguồn công suất phản kháng, và nhánh của

bù song song được loại bỏ Các mô hình xác lập của UPFC sử dụng trong phân tích dòng công suất được phát triển từ mô hình UPFC cơ bản

Trang 12

CHƯƠNG III NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ MÔ HÌNH CỦA

THIẾT BỊ TCSC

3.1 Giới thiệu về TCSC

TCSC (Thyristor controlled series capacitor) là một thuyết bị dùng trong truyền tải điện, để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là khả năng ổn định động trong chế độ sự cố

Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC là một phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System) có khả năng thay đổi nhanh, liên tục điện kháng bù dọc Vì vậy giải pháp ứng dụng lắp đặt TCSC tại điểm nút quan trọng trên lưới điện phân phối là một trong những giải pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện Việt Nam

3.2 Cấu tạo

Cấu tạo của TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp (fixed series capacitor – FC) có điện dung C được mắc song song với cuộn dây điện cảm có điều chỉnh dòng điện bằng Thyristor (Thyristor controlled reator – TCR) Ngoài ra nó còn cơ chế bảo vệ như: VAR, khe hở phóng điện, máy cắt (Circuit Breaker CB) và dao cách ly, các phần bảo vệ sẽ được trình bày ở phần sau

Khảo sát các đường đặc tính công suất P(δ) như ở hình 3 2

Hình 3.2 Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ

bù dọc (b)

Từ (1) nhận thấy rằng khi (XL - XC) giảm thì các đường đặc tính công suất P(δ) khi xảy ra sự cố (2) và sau khi xảy ra sự cố (3) sẽ được nâng cao Khi 2 đường đặc tính này nâng cao thì diện tích tăng tốc a1 sẽ giảm xuống, còn diện tích hãm tốc a2 sẽ tăng lên Như vậy độ dự trữ ổn định động sẽ được tăng lên khi đường dây có

tụ bù dọc [1, 2]

Tụ bù nối tiếp còn có khả năng bù lại sự giảm áp do điện cảm nối tiếp trên đường dây truyền tải gây ra Khi tải nhỏ, tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ và tại thời điểm này điện áp bù nối tiếp do tụ bù dọc sinh ra cũng nhỏ (vì công suất phản kháng do tụ bù dọc sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện QC=3I2XC) Khi tải tăng cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn, nhưng lúc này điện áp thanh cái vẫn không

bị sụt giảm mạnh do xuất hiện lượng công suất phản kháng của tụ bù dọc tỉ lệ thuận với bình phương dòng điện

Hình 3.3 Mô hình TCSC (a) Mô hình cơ bản; (b) Mô hình thực tế

 Ic: dòng điện qua tụ bù dọc C,

 IT: dòng điện qua mạch thyristor,

 Iline: dòng điện trên đường dây

Trang 15

− Tổng trở tương đương Ztđ của mạch LC:

1 1

Nếu ωC - (1/ωL) < 0, mạch kết hợp LC cho cảm kháng tương đương lớn hơn điện kháng của cuộn cảm Tình huống này tương ứng với chế độ cảm kháng vernier trong hoạt động của TCSC

Trong chế độ dung kháng thay đổi của TCSC, khi điện kháng của cuộn cảm biến thiên tăng lên thì điện kháng tính dung tương đương giảm xuống dần Giá trị nhỏ nhất của điện kháng tính dung tương đương khi điện kháng của cuộn cảm rất lớn hoặc khi cuộn cảm biến thiên bị hở mạch lúc này giá trị bằng với điện kháng của chính tụ C

− Dòng điện đi qua cuộn cảm được xác định theo công thức [4, 5]:

2

2

cos ( ) os t- os

m C C

sin os ( / 2) 1

− Sự biến đổi của điện kháng TCSC theo góc mở α được thể hiện ở hình 3.4

Hình 3.4: Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở α

Trang 17

CHƯƠNG IV PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

4.1 Định nghĩa bài toán phân bố công suất

Khảo sát phân bố công suất thường áp dụng cho hệ thống ba pha cân bằng, dựa trên sơ đồ tương đương một pha của hệ thống điện và tính toán dựa trên đơn vị có tên hoặc đơn vị tương đối

Trước đây việc phân bố công suất được khảo sát bằng bàn tính điện xoay chiều

mô hình hóa một hệ thống điện Ngày nay nhờ vào máy tính điện tử, vấn đề phân bố công suất được thực hiện nhanh chóng và chính xác

Khảo sát phân bố công suất đòi hỏi các dữ kiện thông tin chi tiết hơn việc khảo sát ngắn mạch chẳng hạn như tổng trở đường dây và máy biến áp, đầu phân áp của máy biến áp, điện dung đường dây, số liệu công suất nguồn và số liệu phụ tải

Cơ sở lý thuyết của bài toán phân bố công suất dựa trên hai định luật Kirchoff

về dòng điện điểm nút và điện thế mạch vòng

Tuy vậy, như sẽ giải thích về sau, các phương trình Kirchoff không còn tuyến tính như trong bài giải tích mạch thông thường nữa mà là phương trình phi tuyến, số liệu ban đầu cho trước đối với hệ thống điện có khác so với một bài toán giải tích mạch điện thông thường

Đối tượng của khảo sát phân bố công suất là xác định các giá trị điện áp và góc pha ở các nút, dòng công suất trên các nhánh và tổn thất công suất trong mạng điện Mục đích của phân bố công suất thay đổi trong phạm vi rộng trong đó nhằm phục vụ cho thiết kế và vận hành hệ thống điện, khảo sát hệ thống ở chế độ trước và sau sự cố, điều chỉnh điện áp và công suất, vận hành kinh tế hệ thống điện…

Để giải bài toán phân bố công suất, hệ thống được giả thiết rằng đang vận hành ở điều kiện cân bằng và mô hình một pha có thể được sử dụng Bốn thông số được kết hợp tại mỗi nút, đó là giá trị điện áp │ V │, góc pha δ, công suất tác dụng

P và công suất phản kháng Q Các nút trong một hệ thống thông thường được phân

ra làm 3 loại như sau:

 Nút cân bằng: chỉ có một nút cân bằng trong hệ thống Đây là nút được lấy làm nút chuẩn, tại đó giá trị biên độ áp V và góc pha δ đã biết (thường cho δ=0) Nút này có khả năng đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi của phụ tải Nhờ vào bộ điều tốc nhạy cảm, máy phát điện cân bằng có khả năng tải hoặc giảm tải kịp thời theo yêu cầu của hệ thống

Trang 18

 Nút phụ tải: cho biết công suất P và Q của phụ tải yêu cầu Biên độ áp và góc pha là biến chưa biết Các nút này được gọi là các nút P – Q Nếu không có máy phát hay phụ tải ở một nút nào đó thì coi nút đó như nút phụ tải với P = Q = 0 Dòng công suất ở các thanh cái được quy ước theo chiều

đi vào thanh cái

 Nút thanh cái máy phát (nút nguồn): còn được gọi là nút điều chỉnh điện

áp Ở các nút này, giá trị P, │ V │là xác định Gía trị góc pha của áp và Q cần được tìm Các nút này còn được gọi là các nút P – V

4.2 Các phương pháp giải bài toán phân bố công suất

 Giải bài toán phân bố công suất dùng ma trận YTC bằng phép lặp Gauss – Seidel

 Giải bài toán phân bố công suất dùng ma trận ZBUS bằng phép lặp Gauss – Seidel

 Giải bài toán phân bố công suất bằng phương pháp Newton – Raphson

 Giải bài toán phân bố công suất bằng phương pháp Line Flow Based

4.3 Các chương trình tính toán phân bố công suất

Nhiều chương trình được viết để giải phân bố công suất của hệ thống điện thực tế Mỗi phương pháp giải bao gồm bốn chương trình Chương trình đối với phương pháp Gauss – Seidel là Ifgauss, chương trình thực hiện trước đó là Ifbus, busout, và lineflow Các chương trình Ifbus, busout, và lineflow được thiết kế để dùng với hai chương trình phân bố công suất Đó là các chương trình Ifnewton dùng phương pháp Newton – Raphson và chương trình decouple dùng phương pháp phân lập nhanh Dưới đây mô tả ngắn ngọn các chương trình trong phương pháp Gauss – Seidel

− Ifybus: chương trình này yêu cầu thông số của đường dây, máy biến áp, đầu phân áp của máy biến áp chứa trong tập tin có tên là linedata Chương trình

đổi tổng trở thành tổng dẫn và thành lập ma trận tổng dẫn thanh cái YBUS Chương trình được viết cho cả trường hợp các đường dây song song nhau

− Ifgauss: chương trình này tính phân bố công suất bằng phương pháp Gauss – Seidel và yêu cầu các file có tên busdata và linedata Nó được thiết kế để

dùng trực tiếp với phụ tải và máy phát có công suất tính theo MW và MVar, điện áp nút trong hệ đơn vị tương đối và góc pha tính ra độ Phụ tải và máy phát được đổi ra đơn vị tương đối trên công suất cơ bản MVA được chọn Công suất phản kháng của máy phát được duy trì trong khoảng giới hạn của

Trang 19

máy phát tại nút điều khiển điện áp Việc phát công suất phản kháng của máy phát vượt quá giới hạn của nó nếu điện áp quá cao hay quá thấp Sau một vài lần lặp (lần lặp thứ 10 theo phương pháp Gauss – Seidel), công suất phản kháng tính toán tại nút máy phát được xác định Nếu đạt đến một giới hạn, trị số điện áp được hiệu chỉnh mỗi bước là 0.5% cho đến tối đa là ±0.5%

để cung cấp công suất kháng đáp ứng các giới hạn đó

− busout: chương trình cho kết quả điện áp thanh cái dưới dạng bảng kê Kết

quả điện áp nút dưới dạng biên độ và góc pha, công suất tác dụng của máy phát và phụ tải, và công suất phản kháng của tụ bù hay cuộn kháng bù ngang Ngoài ra còn bao gồm tổng công suất phát và tổng công suất phụ tải

− lineflow: chương trình xuất các kết quả của đường dây, hiển thị dòng công

suất tác dụng và công suất phản kháng đi vào ở các đầu đường dây, tổn thất trên đường dây cũng như tổn thất ở mỗi nút Kết quả cũng bao gồm tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng của toàn bộ hệ thống

4.4 Chuẩn bị số liệu và phân bố công suất bằng phương pháp Gauss – Seidel

Để thực hiện phân bố cống suất bằng phương pháp Gauss – Seidel trong môi trương Matlab, các biến sau đây phải được định nghĩa: công suất cơ bản MVA của

hệ thống, độ chính xác về sai số công suất, hệ số công suất, số lần lặp tối đa Tên (viết chữ thường) dùng cho các biến này lần lượt là basemva, accuracy, accel, maxiter Các giá trị tiêu biểu như sau:

basemva = 100 ; accuracy = 0.001;

accel = 1.6 ; maxiter = 80 ;

Bước đầu tiên của chuẩn bị số liệu của tập tin số liệu nhập vào là đánh số các nút Nút được đánh dấu liên tiếp Mặc dù việc đánh số là liên tiếp nhưng các nút được nhập không cần nhập tuần tự Thêm vào đó các file số liệu đi kèm cũng được yêu cầu:

File dữ liệu nút – busdata: dữ liệu yêu cầu cho mỗi nút được nằm trên mỗi

hàng Thông tin yêu cầu phải được bao hàm trong một ma trận gọi là ma trận busdata

− Cột 1: số thứ tự nút

− Cột 2: là mã của nút tương ứng

− Cột 3 và 4: là biên độ điện áp nút trong đơn vị tương đối

− Cột 5 và 6: là công suất phụ tải MW và MVar

Trang 20

− Cột 7 đến cột 10: là công suất MW, MVar, MVar min, MVar max của máy phát

− Cột cuối cùng là công suất kháng MVar của tụ bù

Mã nút nhập vào ở cột 2 dùng để chỉ định nút phụ tải, nút có điều chỉnh điện áp

và nút cân bằng ký hiệu như sau:

 0: dùng cho nút phụ tải Các phụ tải được nhập là số dương MW và MVar Đối với nút này, giả thiết điện áp ban đầu là 1 đối với trị số điện áp và là 00đối với góc pha

 1: để chỉ nút cân bằng Thông tin cần thiết cho nút này là điện áp và góc pha

 2: dùng cho nút có điều chỉnh điện áp Đối với nút này, trị số điện áp, công suất tác dụng MW của máy phát, giới hạn min và max của công suất kháng MVar yêu cầu

File dữ liệu nhánh – linedata: các đường dây được xác định bằng phương pháp

cặp điểm nút Thông tin được yêu cầu phải bao gồm trong ma trận được gọi là linedata

 Cột 1 và 2 là số thứ tự nút ở hai đầu đường dây

 Cột 3 đến cột 5 bao gồm điện trở, điện kháng và một nửa dung dẫn của đường dây trong đơn vị tương đối với công suất cơ bản Scb đã cho

 Cột cuối cùng dành cho đầu phân áp được chỉ định, đối với đường dây nhập

số 1 vào cột này Đường dây có thể nhập theo bất kỳ thứ tự nào chỉ có một ràng buộc nếu là nhánh máy biến áp, số nút bên trái được giả thiết là phía có đầu phân áp của máy biến áp

4.5 Phương pháp Newton – Raphson

Một chương trình có tên Ifnewton được triển khai đối với lời giải phân bố công

suất bằng phương pháp Newton – Raphson đối với hệ thống điện thực tế Chương trình này phải được thực hiện trước bởi chương trình Ifybus Các chương trình busout và lineflow có thể được dùng để in ra lời giải phân bố công suất và kết quả dòng công suất nhánh với dạng thức giống như phương pháp Gauss – Seidel Sau đây là mô tả ngắn gọn chương trình Ifnewton

Ifnewton: chương trình này dùng để giải phân bố công suất bằng phương pháp

Newton – Raphson và đòi hỏi các tập tin busdata và linedata như đã trình bày trong mục 4.4 Chương trình được thiết kế để dùng trực tiếp công suất phụ tải và máy phát trong đơn vị MW và MVar, điện áp trong đơn vị tương đối, góc tính ra độ

Trang 21

Công suất phụ tải và máy phát được đổi ra đơn vị tương đối trên đơn vị cơ bản ScbMVA đã chọn Chương trình còn dự trù cho trường hợp duy trì công suất kháng của nút có điều chỉnh điện áp trong khoảng các giới hạn đã quy định Sự vi phạm giới hạn công suất kháng có thể xảy ra nếu điện áp được qui định quá cao hay quá thấp Trong lần lặp thứ hai, công suất kháng tính toán ở nút máy phát được xem xét Nếu đạt đến giới hạn trị số điện áp được điều chỉnh mỗi bước là 0.5% cho đến khi hiệu chỉnh tối đa được ±0.5% để đưa yêu cầu về công suất kháng về giới hạn đã định

4.6 Phương pháp giải bài toán phân bố công suất bằng Line Flow Based ( LFB) 4.6.1 Mô hình dòng công suất mạng phân phối hình tia

Vì dòng điện và độ lớn điện áp thanh cái có tầm quan trọng thực tế trong vận hành của một hệ thống phân phối, và các thiết bị FACTS điều khiển các đại lượng này, một mô hình dòng công suất dựa trên các dòng công suất tác dụng và phản kháng và các độ lớn điện áp thanh cái sẽ cho phép dễ dàng xử lý thiết bị nối tiếp và song song Phương trình cân bằng công suất phản kháng và công suất tác dụng ở tất cả các thanh cái ngoại trừ thanh cái hở có thể được viết bằng cách sử dụng ma trận tỷ lệ của đồ thị mạng lưới [9] Khi tất cả các kết nối song song được loại trừ trong ma trận tỷ lệ này, sự phân bố công suất tác dụng và công suất phản kháng của chúng được giải thích riêng biệt trong các phương trình cân bằng công suất Các tải công suất tác dụng và phản kháng, tụ điện phân dòng, và điện nạp nạp điện đường dây có thể được khảo sát như các nhánh song song Sau khi phân loại theo lối cũ của các thanh cái lỏng, thanh cái điều khiển bằng điện áp, và thanh cái tải trọng, các phương trình LFB được xây dựng như ba bộ của phương trình viz, cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng thanh cái và các phương trình điện áp nhánh

4.6.1.1 Phương trình cân bằng công suất tổng

Sử dụng một ma trận tỷ lệ thanh cái A ở các hàng tương ứng với tất cả các thanh cái khác ngoài thanh cái hở này, cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể được viết như sau:

A' được định nghĩa như là một ma trận tỷ lệ thanh cái được thay đổi với tất

cả các số "-1" thiết đặt thành 0, điều đó dễ dàng ước lượng tính đến các tổn thất đường dây trong các phương trình cân bằng công suất bằng cách sử dụng các vectơ của các tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng nhánh l và m H là một

ma trận đường chéo, các yếu tố đường chéo của chúng là tổng số lần nạp điện và

Trang 22

điện nạp bù tại mỗi thanh cái PGL và QGL là các công suất vectơ được định nghĩa là

PGLi = PGI - PLI và QGLi = QGi - QLi, trong đó PGi, QGi, PLi và QLi là máy phát tác dụng và phản kháng và các công suất tải tại thanh cái thứ i, li và mi là tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây l, p và q là các vectơ dòng điện tác dụng và phản kháng ở đầu nhận V2 là vector điện áp chưa xác định ngoại trừ tại thanh cái hở V2i là bình phương biên độ điện áp tại thanh cái thứ i

Nếu máy phát điện phân tán tồn tại trong hệ thống phân phối, các thanh cái máy phát điện tương ứng được phân loại thành hai loại viz, hằng số công suất thêm vào PQ thanh cái hoặc thanh cái PV điều khiển bằng điện áp Cho n là tổng số thanh cái và nPV và nPQ số lượng thanh cái điện áp điều khiển và thanh cái tải trọng tương ứng Cho phép đối với một thanh cái hở, tổng số các thanh cái khác nhau là:

(4.3)

Số ẩn số trong (2) được giảm từ n – 1 thành n - nPV - 1, và phương trình được viết lại như sau

(4.4) Trong đó tất cả các ký hiệu với chỉ số dưới dòng 1 là các vector hay ma trận liên quan chỉ chứa thanh cái PQ

4.6.1.2 Phương trình điện áp nhánh

Đề cập đến hình 2.1, phương trình điện áp rơi nhánh có thể được viết là

(4.5) (4.6)

Độ lớn của cả hai bên phương trình (4.8) và sắp xếp lại, chúng ta nhận được như sau:

(4.7)

(4.8)

V2slack là vector điện áp bình phương của các thanh cái PV và thanh cái hở Là một ma trận đường chéo có bậc bằng với l với các giá trị của một máy biến áp điều chỉnh (có đầu ra) bằng bình phương của giá trị điều chỉnh A1 + và A1- thu được từ

A1 bằng cách thiết lập, tương ứng, các giá trị dương và âm trong A1 thành 0 R và X

là ma trận điện kháng và dung kháng đường chéo Vector K đại diện cho các thuật ngữ về phía bên phải của (4.8) cho tất cả các đường dây

Hình 4.1 Đường dây kiểm tra hệ thống IEEE 13 nút

4.6.2 Bản chất của sơ đồ lưới điện mạng phân phối hình tia

Sơ đồ lưới điện mạng phân bố hình tia có một cấu trúc hình cây không có mạch vòng nào Tổng số đường dây bằng số lượng thanh cái trừ đi một Khi các mô hình của ma trận tỷ lệ phụ thuộc vào thứ tự của các đường dây và các nút, các ma trận tỷ lệ trong phương trình (4.9) có một cấu trúc phụ thuộc vào thứ tự mà các đường dây được đọc từ dữ liệu Hơn nữa, các ma trận này là các ma trận vuông và không suy biến

Mặc dù tìm kiếm theo chiều rộng - BFS (Breadth – First – Search) và tìm kiếm theo chiều sâu là hai mô hình khác nhau của các phương pháp nghiên cứu sơ

đồ hình cây về đồ thị được sử dụng rộng rãi, ở đây BFS được lựa chọn để nghiên cứu sơ đồ mạng lưới phân phối hình tia trong mô hình LFB Ý tưởng cơ bản của BFS là để chỉ ra càng nhiều thanh cái nhiều càng tốt trước khi xuyên sâu vào một nhánh cây Điều này có nghĩa rằng chúng ta kiểm tra tất cả các thanh cái liền kề với mức độ hiện hành trước khi tiếp tục đến một số thanh cái khác Mô tả ngắn gọn về

- Trong cùng một cấp độ, tất cả các số thanh cái được xếp đặt liên tiếp

- Việc đánh số nhánh lại thì tương tự như việc đánh lại số thanh cái

Ở bất kỳ cấp độ nào, một số nhánh là một trong ít hơn số lượng thanh cái

"hướng lên" Một ví dụ về sử dụng thuật toán BFS được minh họa bằng cách sử dụng hệ thống phân phối hình tia này với mười ba nút và mười hai đường dây [11]

và [12] được hiển thị trong hình 4.2 Đường dây chỉ có trở kháng nối tiếp Các nút được đánh số tùy ý Sơ đồ mạng phân phối ở ví dụ này được vẽ lại trong hình 4.3 với số thanh cái theo thứ tự bắt đầu từ 1

Hình 4.2: Đồ thị của lưới điện 13 nút IEEE

Ma trận tỷ lệ trong hình 4.3, bao gồm nút nguồn (tại gốc, tên ban đầu là 650) được gọi là Bus 1, được hiển thị trong hình 4.3 Để phù hợp với phương trình dòng tải LFB có các phần sau, các hàng của ma trận có liên quan đến các thanh cái và các cột của nó liên quan đến các nhánh Việc đánh số lại BFS được áp dụng cho đường dây thử nghiệm 13-nút Sơ đồ hình cây BFS tối ưu của đường dây 13 nút IEEE được hiển thị trong hình 4.5 Nó được sắp xếp lại thành ma trận tỷ lệ, bao gồm cả các nút nguồn, như trong hình 4.6

Hình 4.5 Sắp xếp lại ma trận tỷ lệ cho sơ đồ hình cây BFS tối ưu

4.6.3 Mô hình LFB được tách riêng từ hệ thống phân bố hình tia

Trang 27

Với các đường dây được đánh thứ tự BFS, ma trận tỷ lệ thanh cái theo bản chất là các ma trận tam giác trên và là một ma trận tam giác dưới Sử dụng đồ thị điện áp bằng phẳng như giá trị ban đầu, các dòng điện này và có thể thu được trực tiếp bằng cách thay thế ngược về sau của nó từ biểu thức (4.10) và (4.11) Trong biểu thức (4.12) giá trị p và q được cập nhật, biên độ điện áp bình phương V2 có thể được tính bằng cách thay thế chuyển tiếp Không cần tìm thừa số của ma trận hệ số Thiết lập tách rời này của các phương trình thì dễ dàng hơn để mã hóa trong một chương trình

4.6.4 Ma trận dòng công suất LFB

Khi vectơ thay đổi của các phương trình dòng công suất là các công suất tác dụng và công suất phản kháng và các giá trị điện áp bình phương , (9), (11), (12) và (13) có thể được kết hợp thành định thức ma trận Như vậy, tổng số của các phương trình này là N = 2(n – 1) + l +l – n + 1 = 2l + n – 1

4.6.5 Công thức dựa trên LFB gắn liền với các thiết bị FACTS

Một hệ thống mẫu được sử dụng để mô tả các quy trình Hệ thống hiển thị trong hình 4.6 có 4 thanh cái

Trang 28

Hình 4.6 Hệ thống mẫu

Hình 4.7 Số lượng và chiều đường dây các mạch vòng độc lập

và năm đường dây: n = 4 và l = 5 Tổng số phương trình trong công thức dựa trên LFB là 13 Trong trường hợp đầu tiên, giả thiết chỉ có một thanh góp máy phát điện Giả định đường dây được sử dụng là đường dây ngắn và mô hình hóa như trở kháng nối tiếp Các đường dây được định hướng thể hiện bởi các mũi tên và hai mạch vòng độc lập thể hiện bởi các đường nét đứt trong hình 4.7 Hệ thức ma trận

tỷ lệ thanh góp và ma trận tỷ lệ mạch vòng có thể được sử dụng để thiết lập trong biểu thức (4.16) và (4.17)

Trước khi tập hợp (thiết đặt) đầy đủ về phương trình dòng công suất LFB đối với ví

dụ được viết, các ma trận tỷ lệ được đưa ra như sau:

us1 1 0 1 1 0 bus2 0 0 1 0 1 bus3 0 1 0 1 1

b A

Trang 29

oop1 1 1 0 1 0 loop2 1 1 1 0 1

l l l l l l

q5;V22, V23, V24]t bao gồm 13 phần tử chưa biết Khi một thiết bị FACTS điều khiển các điện áp thanh cái và dòng công suất tác dụng đường dây bởi ánh xạ Q song song, thay đổi đầu phân áp và điều chỉnh góc pha, một hệ thống với các thiết

bị FACTS có thể được giải quyết bằng cách hoán đổi hoặc trao đổi các biến trong vector x và y1 Một góc pha điều chỉnh hiệu quả trong các phương trình vòng lặp Đường dây với các thiết bị FACTS được bao gồm các mạch vòng độc lập Bốn trường hợp nghiên cứu khác nhau được thực hiện với các loại thiết bị FACTS khác nhau kể cả trên đường dây l4 của hình 4.6

4.6.5.1 Điều khiển dòng công suất dây bằng cách sử dụng chuyển đổi pha trong TCPAR

Thông thường các dòng điện thực được biết đến như là một hằng số trong nhánh được cài đặt với TCPAR thay đổi góc chuyển đổi pha Dưới đây dòng công suất dây p4 được trình bày và được trao đổi với a4 trong y1 Các cột trong ApqV2tương ứng với các lần dòng p4, giá trị của dòng công suất dây p4 được chuyển sang phía bên phải của phương trình y 1new = y1old +[ A1, 4 …A13, 4 ]T * p4 Các cột trong

ApqV2 được thay thế bởi một mảng [0 ….0 A12, 4 0 ]T trong đó A12, 4 = 1 Biến α4được xác định nằm ở trên vị trí p4 ban đầu của vector chưa xác định x từ vị trí của

y1old và vị trí của α 4 trong y1old đặt nó bằng 0 Do đó, cấu trúc của LFB in (4.14) đã không được thay đổi và đặc trưng của ApqV2 mới này vẫn còn là một ma trận hằng

số Góc pha trong đường dây có thể được giải quyết trực tiếp bằng phép lặp

Trang 31

4.6.5.2 Điều khiển dòng công suất dây sử dụng bộ tụ điện nối tiếp bằng TCSC

Trong trường hợp này, công suất đường dây thực sẽ được cố định là hằng số theo yêu cầu bằng cách thêm một tụ điện nối tiếp chưa biết trong điện kháng dây dẫn Để điều chỉnh dòng công suất p4, điện kháng ban đầu X4 của nó trong các phương trình LFB (4.20) và (4.21) trở thành X4new = X4 + XC y 1new = y1old + [A1, 4

… A13, 4 ]T *p4 và cột trong A pqV2 được thay đổi bởi một mảng [0 … 0 A12,4 0 ]Ttrong đó A12, 4 = p4 Bây giờ vị trí p4 ban đầu của vector x chưa xác định là XC Các tính năng khác đều giống nhau như những điều đã được liệt kê tại mục 4.6.5.1

4.6.5.3 Điều khiển điện áp thanh góp bằng cách sử dụng đầu phân áp bằng các máy biến áp hoặc UPFC

Mục tiêu của việc thay đổi đầu phân áp là để thực hiện việc điều chỉnh điện áp thanh góp Khi đầu phân áp có liên quan tới phương trình điện áp nhánh trong biểu thức (3), các cột trong A pqV2 tương ứng với số thanh góp trong đó điện áp của nó được điều chỉnh là V i 2 Nó được dịch chuyển sang phía bên phải của phương trình giống như tại mục 4.6.5.1 và 4.6.5.2 là y 1new = y1old + [A1, 11 … A13,11 ]T *V22 khi

A10, 11 = 0 Cột đó ở vị trí ban đầu giữ A10, 11 là giá trị khác không và đầu phân áp đường dây tl2 được 'hoán đổi' với thanh cái điện áp Vi2 trong x Đầu phân áp có thể trực tiếp được tìm ra lời giải sau khi các bước lặp

4.6.5.4 Điều khiển điện áp thanh góp với Q bơm vào bằng SVC

Trong SVC, cường độ điện áp thanh góp được điều khiển như là một giá trị cần thiết bằng cách thay đổi bơm thêm công suất phản kháng Q tại cùng một thanh góp Trong chế độ LBF, rất dễ dàng xử lý các loại FACTS đó Không có bất kỳ quy trình đặc biệt nào Khi điện áp thanh cái Vi2 trong vector x là một hằng số, nó được xem xét kỹ như là một thanh cái điều khiển bằng điện áp và loại bỏ từ trong vector

x Trình tự của ma trận LBF cũng được giảm bớt đi một Công suất phản ứng bơm vào QGi trong y1 có thể được tính toán giống với bất kỳ thanh cái điều khiển bằng điện áp nào

Trang 32

4.6.6 Khảo sát một mạng lưới hình tia 15 nhánh

Hình 4.8: Mạng lưới hình tia 15 nhánh khi chưa lắp đặt TCSC

Trang 33

- Số liệu ban đầu

basemva = 10; accuracy = 0.00001; maxiter = 500;

% No Loai U goc Phu tai May phat Qbu Udm

% P(MW) Q(MVAr) P(MW) Q(MVAr) Qmin Qmax kV

% dau cuoi R(dvtd) X(dvtd) Y/2(dvtd) tap