BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
HUTECH
University
“VÕ TẤN LỘC”
“GIẢI TÍCH HỆ THÓNG ĐIỆN PHAN PHÓI
HÌNH TIA CÓ THIẾT BI FACTS — TCSC DUNG
GIAI THUAT LINE FLOW — BASED”
LUAN VAN THAC Si
Chuyén nganh : KY THUAT DIEN
Mã số ngành: 60520202
CAN BO HUONG DAN KHOA HOC: TS HO VAN HIEN
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS HO VAN HIẾN A
(Ghi ré ho, tén, hoc ham, hoc vi va chit ky)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM
ngày 2l tháng 03 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT Họ và tên Chức danh Hội đông
1 | PGS TS Phan Thi Thanh Binh Chủ tịch
2 | GS TS Lé Kim Hing Phản biện |
3 | PGS TS V6 Ngoc Diéu Phan bién 2
4 | PGS TS Duong Hoai Nghia Uy vién
5 | TS Huỳnh Châu Duy Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có)
Chú tịch Hội đồng đánh giá LV
/⁄2“Z——
Trang 3|
TS
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ TAN LOC Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 24 - 12 - 1974 Nơi sinh: Long An
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1341830022
I- Tên đề tài:
“GIẢI TÍCH HỆ THƠNG ĐIỆN PHAN PHÓI HÌNH TIA CÓ THIẾT BỊ
FACTS — TCSC DUNG GIAI THUAT LINE FLOW - BASED”
H- Nhiệm vụ và nội dung:
Nâng cao điện áp và ổn định hệ thống mạng điện phân phối hình tia 2.1 Tổng quan về hệ thống điện có thiết bị Facts
2.2 Mô hình dòng công suất LFB mạng điện phân phối hình tia có thiết bị Facts-
Tesc
2.3 Giai thuat phan lap LFB mang điện phân phối hình tia có thiết bị Faets-Tcsc
2.4 So sánh kết quả giải thuật LFB với Newton-Raphson ở mạng phân phối hình
tỉa có Tcsc
2.5 Kết luận
HI- Ngày giao nhiệm vụ: 18-08-2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15-01-2015
V - Cán bộ hướng dẫn: TS HÒ VĂN HIẾN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUAN LY CHUYEN NGANH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
Af ;
Trang 4Tôi xin cam đoan day là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích din trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)
Ce
Trang 5LOI CAM ON
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng
dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý Thầy Cô trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM và trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý Thây Cô trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, đặc biệt là những Thầy Cô đã tận tình dạy bảo cho tôi trong suốt thời gian học
tập tại trường
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Hồ Văn Hiến đã dành nhiều thời gian
hướng dẫn và giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp này
Nhân đây tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM và
quý Thầy Cô trong Khoa Điện đã tạo nhiều điều kiện để tôi có thời gian học tập và hoàn
thành tốt khóa học
Đồng thời, tôi xin cảm ơn bạn bè, gia đình đã tạo điều kiện để tôi có đủ thời gian,
nghị lực để vừa công tác vừa học tập nghiên cứu đề tài này và nay đã đạt được kết quả
nhất định
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn này bằng tất cả sự nhiệt tình và
năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn để hoàn thiện hơn
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tp Hà Chí Minh, Ngày 15 tháng 01 năm 2015
Người “MÁT
ee
Trang 6TOM TAT
Việc phân tích hệ thống điện truyền tải — phân phối hình tia có thiết bị FACTS, đã
được nhiều sự quan tâm trên toàn thế giới trong những thập niên vừa qua, nhằm đưa ra giải pháp mới ngắn nhất và cho kết quả tương đối thật chính xác
Với đề tài này được sự hướng dẫn của Thầy TS Hồ Văn Hiến, Thầy đưa ra các phương pháp giải tích mạng điện phân phối hình tia có thiết bị FACTS, dựa trên các bài báo IEEE Transaction on power systems Trong đó có phương pháp Line Flow-Based là một trong các phương pháp mới và đơn giản trong quá trình tính, phương pháp này sử
đụng dòng công suất chạy trên đường dây và biên độ điện áp tại các bus, đặc biệt của
phương pháp này là sử dụng ma trận hệ số để đưa vào các phương trình LFB làm đơn giản cho các phép tính, dễ đàng thực hiện với thiết bị EACTS nối tiếp, mắc shunt trong
hệ thống và ước lượng được trị số thiết bị FACTS Kết quả tính của phương pháp này
được kiểm tra với phương pháp truyền thống Newion-Raphson Đây chính là nội dung
Trang 7ABSTRACT
In the past decades, analysis of radial distribution and transmission systems with embedded Flexible AC Transmission System (FACTS) devices has been interested in worldwide aim at providing new solutions with exact results
This thesis with the guidance of Dr Ho van Hien, who proposed methods for analysing radial transmission system with embeded FACTS devices, based on the IEEE transmission on power system papers In these methods, a new Line Flow-Based method is applied and power flows in lines and bus voltage magnitudes are used to make computation process simple In particular, the Line Flow-Based equations with coeficient matrices are used to provide easy implementation in calculation steps, especially this method is used to bring the coefficient matrix in the equation simplifies Line Flow-Based for the calculation step, easy to implement with serial, shunt FACTS devices in the system and allows to estimate the level set FACTS Results of this method are compared to those of the conventional Newton-Raphson method This is
Trang 81.1 Giới thiệu tổng quan thiết bị FACT§
1.2 Mơ hình tốn thiết bị FACTS -TCSC ĂĂ TS Sàn nhe nng 9 1.3 Chế độ bảo vệ của thiết bị FACTS -TCSC nh he l6
Chương 2 MƠ HÌNH DÒNG CÔNG SUÁT LFB MẠNG ĐIỆN PHÂN PHÓI
HÌNH TIA CÓ THIẾT BỊ FACTS - TCSC 18
2.1 Mô tả phương pháp dòng công suất cành như 18
2.2 Các phương trình cơ bản của phương pháp dòng công 20
2.3 Graph của mạng phân phối hình tia 299923333 hen 24
Chương 3 GIẢI THUẬT PHÂN LẬP LFB MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỎI HÌNH
TIA CÓ THIẾT BỊFACTS - TCSC 32
KÍt(.1›.(ẳầ 32
3.2 Giải thuật phân lập LEB cho mạng điện phân phối hình tỉa - 32
3.3 Giải thuật phân lap LFB cho mạng điện phân phối có thiết bị FACTS - TCSC 38 Chương 4 SO SÁNH KÉT QUÁ GIAI THUAT LFB VOI NEWTON-RAPHSON
Ở MẠNG ĐIỆN PHÂN PHÓI HÌNH TIA CÓ TCSC 49
4.1 Áp dụng giải thuật phân lập LFB tính cho mạng phân phối hình tia chuan [EEE (13 va 33 mit) CO TCSC ha 49 4.2 Áp dụng giải thuật phân lập LFB tính cho mạng điện phân phối hình tia thực tế CÓ TCÁC, uc ng HH ng nh Đo TK TK ĐK TT kh nề TH KH ty TH TH ĐH 58 4.3 So sánh kết quả giải thuật Line Flow-Based với Newton-Raphson 63 Chương 5 KẾT LUẬN 66
Trang 9DANH MUC CAC TU VIET TAT
BFS: Breadth-First-Search
FACTS: Flexible Alternating Current Transmission System
LFB: Line Flow-Based
SVC: Static Var Compensator
TCVR: Thyristor Controlled Voltage Regulator
TCSR: Thyristor Controlled Series Reactor
TCPAR: Thyristor Controlled Phase Angle Regulator
TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor
TSSC: Thyristor Switched Series Capacitor
UPFC: Unified Power Flow Controller
DANH MUC CAC BANG
Bảng 4.1 — Bảng tóm tắt kết quả tông hợp giữa hai giải thuật Line Flow-Based
và Newton-Raphson
DANH MỤC CÁC CÁC BIÊU DO, DO THI, SO DO, HINH ANH
Hinh 1.1: Mô hình tổng thể các thiét bi FACTS Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của TCSC
Hình 1.3: Mơ hình tốn của TCSC
Hình 1.4a: Mô hình đường dây truyền tải có lap dat TCSC
Hình 1.4b: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC Hình 1.5: sơ đồ nguyên lý TCSC
H2.1: Mô hình đường dây với thiết bị FACTS
Hình 2.2: Graph mô tả hệ thống điện
Hình 2.3: Graph của mạng chuẩn IEEE 13 nút
Trang 10Hình 3.2: sơ đồ cây mạng phân phối 5 nút có TCSC
Hình 3.3: kết quả đồ thị điện áp khi mạng phân phối hình tia có TCSC
Hình 4.1: Sơ đồ cây mạng điện phân phối hình tia IEEE 13 nút
Hình 4.2: Sơ đồ cây mạng điện phân phối hình tia IEEE 13 nút H4.3: Biểu đồ điện áp giữa hai giải thuật
H4.4: Sơ đồ cây mạng điện chuẩn IEEE có 33 nút
H4.5: Sơ đồ cây mạng phân phối hình tia IEEE có 33 nút
H4.6: Biểu đồ điện áp giữa hai giải thuật LFB va N-R ở mạng phân phối hình tỉa
IEEE có 33 nút
H4.7: Hệ thống điện phân phối hình tia tại Quận Gò Vấp
H4.8: Hệ thống điện phân phối hình tia tại phát tuyến Huê Phong ~ Gò Vấp
H4.9: Sơ đồ cây mạng phân phối điện Gò Vấp tại phát tuyến Huê Phong
H4.10: Biểu đồ điện áp giữa hai giải thuật ở mạng phân phối điện Gò Vấp tại
phát tuyến Huê Phong
H4.11: Biểu đồ điện áp giữa hai giải thuật
H5.1: Kết quả biểu đồ điện áp của giải thuật LFB
cho mạng điện phân phối có TCSC
H5.2: Biểu đồ điện áp mạng điện có TCSC đặt tại nhánh số 7
H5.3: Biểu đồ điện áp mạng điện có TCSC đặt tại nhánh số 36
Trang 11được nâng cao nhanh chóng, nhu cầu điện năng trong các lãnh vực công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt tăng trưỡng không ngừng, còn nguồn năng lượng điện
năng được khai thác từ thiên nhiên và chế tạo thì có giới hạn, do ảnh hưởng từ các điều
kiện khai thác và chế tạo của các nước khác nhau Vì thế việc sử dụng nguồn năng lượng và truyền tải — phân phối năng lượng đến phụ tải cần được quan tâm Về khâu truyền tải — phân phối điện năng đến phụ tải, ngày nay với phát triển đa dạng của các
thiết bị điện tử công suất FACTS như, TCSC, SVC vào lưới phân phối nhằm cải
thiện được chất lượng điện năng nhưng làm cho cấu trúc của mạng điện ngày càng
phức tạp hơn
Giải tích lưới phân phối là một bài toán quan trọng trong hệ thống cung cấp
điện Việc tìm kiếm một giải thuật tin cậy với khả năng hội tụ cao cho việc giải tích
lưới phân phối là yêu cầu cần thiết Trong những năm gần đây việc nghiên cứu các giải
thuật phân bố công suất truyền thống như Newton-Raphson, Gauss-Seidel, Fast-
Decoupled Power Flow (FDPF), vào lưới phân phối có thiết bị Facts đã được thực
hiện Một trong những tổn tại của các giải thuật này là khả năng hội tụ chưa cao và thời gian tính còn phức tạp do đặc điểm tự nhiên của lưới phân phối Với yêu cầu đó nội dung luận văn tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu giải thuật Line Flow - Based cho mạng điện phân phối hình tia bao gồm thiết bị EACTS và áp dụng tính cho mạng diện
thực tế
2 Mục tiêu của đề tài:
+ Nghiên cứu giải thuật và viết chương trình giải tích lưới phân phối hình tia với
thiết bị FACTS bằng giải thuật Line Flow-Based để nâng cao khả năng hội tụ + Áp dụng chương trình vào việc phân tích mạng lưới điện chuẩn và mạng lưới
Trang 12Hệ thống điện chuẩn IEEE và lưới điện Việt Nam giai doan 2015 ~ 2020 Công nghệ và các loại thiết bị của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh
hoạt FACTS
+ Phan vi nghiên cứu
Giải tích mạng điện phân phối hình tia IEEE có thiết bị FACTS — TCSC
dùng giải thuật LFB
Ứng dụng giải tích mạng điện thực tế tại quận Gò Vấp, 4 Phương pháp nghiên cứu
+ Dùng lý thuyết đồ thị để mô hình hóa lưới phân phối hình tia có thiết bị Facts
+ Áp dụng các phương pháp phân tích mạch để thiết lập LFB
+ Viết chương trình Matlab tính để kiểm tra kết quả với phương pháp truyền thống Newton-Raphson
5 Tên đề tài
“Giải tích hệ thống điện phân phối hình tia có thiết bị FACTS — TCSC dùng
giải thuật Line Flow — Based” 6 Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Chương 1 Tổng quan về hệ thống điện có thiết bị FACTS 1.1 Giới thiệu tổng quan thiết bị FACTS
1.2 Mô hình toán thiết bị FACTS — TCSC 13 Chế độ bảo vệ của thiết bị FACTS — TCSC
Chương 2 Mô hình dòng công suất LFB mạng điện phân phối hình tia có thiết bị
FACTS - TCSC
Trang 133.1 Giới thiệu
3.2 Giải thuật phân lập LFB cho mạng phân phối hình tia
3.3 Giải thuật phân lập LFB cho mạng phân phối có thiết bị FACTS - TCSC
Chương 4 So sánh kết quả giải thuật Line Flow-Based với Newton-Raphson ở
mạng phân phối hình tia có TCSC
4.1 Áp dụng giải thuật phân lập LFB tính cho mạng điện phân phối hình tia
mẫu IEEE (13 và 33 nút) có thiết bị FACTS - TCSC
Trang 14Để nâng cao chất lượng điện và ôn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, hiện tại
đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible AC Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù
tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc FACTS dùng để nâng cao khả
năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất
và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải
công suất[2] Qua định nghĩa FACTS, nhận thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS
đến hệ thống điện có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật Trong thực tế, do tính
chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho nên trình trạng vận chuyển
công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau, có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác thì non tải và ngược lại Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải cao áp luôn
đặt trong trình trạng báo động về giới hạn vật ly của chúng như là quá tải đường dây
những hiện tượng nhiễu hệ thống như là hiện tượng dao động tần số, điện áp Nhằm
tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục những nhược điểm
Trang 15phân bố lại luồng công suất trong mạng điện Điều này giúp hạn chế luồng công suất truyền qua những nhánh có khả năng gây nghẽn mạch
— Điều khiển dòng công suất trên đường dây trong lưới điện theo ý muốn, giúp sử dụng tốt hơn hệ thống truyền tải hiện có Ở một số nơi, việc tăng dung lượng chuyển giao năng lượng và điều khiển luồng công suất truyền tải của các đường dây có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt là những nơi có thị trường điện chưa được kiểm soát, hay những nơi mà các vị trí phát điện và tâm phụ tải có thé thay đổi Điều này cần bổ sung các đường dây truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu điện gia tăng, nhưng lại vướng phải các ràng buộc về kinh tế, môi trường Trong trường hợp đó, các thiết bị FACTS đáp ứng được những yêu cầu cả về kinh tế và kỹ thuật
— Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải: Độ tin cậy và tính khả
dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Mặc dù các thiết bị FACTS không thể ngăn chặn sự cố, nhưng chúng có thể giảm thiêu những ảnh hưởng
của sự cố và đảm bảo việc cấp điện an toàn hơn bằng cách giảm số lần đóng cắt đường
dây Ví dụ, cắt một phụ tải lớn gây ra một quá áp của đường dây và dẫn đến cắt đường
dây
Trang 16sự thay đổi về điện áp và tần số hay sự mất nguồn cấp có thể dẫn đến ngưng trệ trong
quá trình sản xuất mà hệ quả là những tổn thất lớn về kinh tế Các thiết bị FACTS có thể giúp cung cấp chất lượng cấp điện năng theo yêu cầu
— Nói chung; những khả năng ứng dụng của các thiết bị FACTS có thể được tóm
tắt trong các phạm vi giới hạn sau:
Giữ được khả năng tải của đường dây gần với giới hạn phát nóng Nâng cao khả năng truyền tải công suất giữa các phần tử của hệ thống, do đó giảm được dự trữ chung của hệ thống Phòng ngừa được sự có lan truyền do hạn chế được ảnh hưởng của sự có và hỏng hóc các phần tử Giảm được dao động điện áp có thê gây hại đến các phần tử của
hệ thống Giảm dao động công suất, tăng độ ổn định tĩnh và động của hệ thống, chống
sự cố nghẽn mạch hệ thống
Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện
áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện điều khiển
điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và nhanh
chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể
như Mỹ, Canada, Brazil là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS Các
thiết bị FACTS thường được sử dụng là:
- §VC (Static Var Compensator): BO bu céng suat VAR tinh
- UPFC (Unified Power Flow Controller): BO diéu khién dong cong sual hợp
nhất
- STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh
Trang 17Dưới đây (H1.1) là mô hình tổng thể các thiết bị FACTS_ phân bố công suất trong hệ thống điện =a wt C— Set STATCOM (SVC) UPFC (IPFC) me A Ondileur W1 Onduieur #2 aa A Ab SSSC (TCSC)
Hình 1.1 Mô hình tổng thể các thiết bj FACTS
Trang 18đích để duy trì hoặc thay đổi dòng và công suất thực và phản kháng trên đường dây để
đảm bảo an toàn nhu cầu phụ tải và điều kiện hoạt động của hệ thống Mô hình trạng
thái xác lập UPEC được làm từ mô hình cơ bản FACTS nối tiếp và mắc shunt
+ SCV dựa trên thyristor mà khả năng không có công turn-off được xem như một máy phát VAR tĩnh kết nối shunt hoặc thiết bị hấp thu Ngõ ra của chúng chỉ thay đôi
dòng điện dung hay dòng cảm ứng Như một thành phần quan trọng cho điều khiến
điện áp, nó thường cài đặt tại bus nhật Trong công thức, SCV đã được xem xét một nhánh mắc shunt với bù một công suất kháng Q„ đặt bang bién dién dan va dién nap
+ TCVR được xem như điều bộ chỉnh điện áp thông thường Nó có thể thay dai dé
lớn điện áp bằng phẳng với một sự thay đổi đầu ra trong một tầm điều khiển —ø„¡„ < đi < #„„„ Một mô hình tĩnh của TCVR với một đầu nói tỷ lệ t,:1 được kết nối trong một trở kháng nối tiếp của đường dây phân phối
+ TCSC được định nghĩa như một bộ bù điện kháng, điện dung gồm có một bộ tụ
điện nối tiếp được mắc song song bởi một thyristor-controlled reator để mà cung cấp một chuỗi điện dung kháng nối tiếp thay đổi mịn được Trong nghiên cứu dòng công
suất ốn định, TCSC có thể xem như một tụ điện tĩnh hoặc một bộ điện kháng cung cấp
một trở kháng -jXc với sự bù nhánh nối tiếp ] đặc trưng bởi gồm các thông số ni tiếp
tương đương kết nối Trong hầu hết các trường hợp, điện nạo mắc song song của nhánh
Trang 19của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Nó được mở rộng từ các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng được điều khiển bằng thyristor Bộ phản ứng này mắc song song với một tụ nối tiếp cho phép
tạo ra một hệ thống bù dọc điện kháng thay đổi liên tục và nhanh chóng Những lợi
điểm chủ yếu của TCSC là:
Tăng công suất truyền tải
Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thông
Nâng cao khả năng ổn định điện áp, giảm dao động công suất Điều khiển dòng công suất trên đường dây
TCSC bao gồm ba phần tử chính: Tụ bù C, cuộn kháng bù nối vào mạch thyristor và hai thyristor điều khiển SCRI và SCR2 (hình 1.2) ik - "| ( L DE “YYY° SCR, ——<— SCR; fF ———————>
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo của TCSC
Trang 20Khi các thyristor được kích thích, TCSC có thể được mô tả dưới dạng toán học như Sau: dv ji =C— 1.1 Io at (1.1) di =[— 1.2 7 đi (1.2) i, =i th, (1.3)
i, va ic: 1a gia trị dòng điện tức thời qua tụ điện và cuộc cam,
is: là dòng điện tức thời của đường dây truyền tải được điều khiển, v: là điện áp tức thời qua TCSC
Tổng trở tương đương của mạch LC:
Z+=———~ (14)
Như vậy TCSC có thể được điều khiển để làm việc ở trạng thái mang tính điện
kháng (œC >1/œL) có tính dung thay đổi hoặc ở trạng thái cảm kháng (œC < 1/œL) và
tránh làm việc ở trạng thái cộng hưởng (@C = 1/oL)
Trang 21Điện áp tụ ở trạng thái vận hành bình thường tại thời điểm ø# = -Ø là:
LX C kế ¡ein 8~ kcos Ø tan kØ) (16) Vor = Tai wt = B; ip = 0, dién dp ty duge xác định: v (@f = ) = Vẹ¿ = ~Vey Điện áp tụ sau khi tính toán là: _ LG cos Ø
ve) == Csinat +k pn) _B<ors
Volt) =Ve, +1, (sin of —sin 8), 8<mai<z~8
Điện kháng TCSC tương đương Xrcœ được tính theo tỉ số của Wcy và ?„:
V, Xã in2 4x kt t
Xrese(@) == X= c _28+sin B, _ COS `8 an đ~ an Ổ( 7)
L, (Œ.-X/,) Z "ox, -X,) (kh -1) 7
Điện kháng của TCSC trên đơn vị Xe được biểu thị bằng Xe = Xrce / Xc là:
Xc_ ø+sinø _ 4⁄2 cos*(a/2) |ktankø/2)- tan(ø/2)]
1 (Xe-X) (Xe -X,) =D z (L8)
Trang 221.2.2 M6 hinh todn hoc ciia TCSC
Mơ hình tốn của TCSC có cấu trúc gồm các khối như hình 1.3; bao gồm: khối khuếch
dai Ky, bộ lọc tín hiệu và hai khối bù sớm pha, trễ pha Kĩ sTw 1+sT1 4+sT3 Ƒ— —> — > >
Khôi Khôi Hai khối
khuéch loc tin sớm/trễ pha
đại hiệu
Hình 1.3: Mô hình toan cua TCSC Hàm truyền của bộ điều khiển TCSC là:
u=K, ST, l+s7, \{ 1+57, y (1.9)
1457, J\l+sT, +s,
Với u và y là tín hiệu ngõ ra và ngõ vào của TCSC
Tw là hằng số thời gian của bộ lọc tín hiệu có giá trị từ 1s đến 20s và không có
tiêu chuẩn nào để chọn lựa thông thường chọn giá trị 10s cho các nghiên cứu trước
đây 7
Các bộ bù được giả thiết là T,=T; và Tạ=T; Với các giá trị Tị Tạ đã xác định thì tín hiệu ngõ vào của TCSC là sự thay đổi tốc độ Ao và tín hiệu ngõ ra của nó là sự thay
đổi góc kích œ bằng cách thay đổi góc dẫn của thyristor Aơ theo biểu thức: o =2(n-a) Khi đó giá trị điện kháng của hệ thống có đặt TCSC tuỳ thuộc vào góc kích œ và được
tính như sau
Trang 23Như vậy thông qua sự thay đổi tốc độc œ ở ngõ vào thì ngõ ra của bộ điều khiển
TCSC có thể làm thay đổi góc kích và góc dẫn của Thyristor, từ đó thay đổi giá trị điện kháng bù vào đường dây điều khiển dòng công suất
1.2.3 Ung dung TCSC vào điều khiến dòng công suất
Xét mô hình đường dây hình œ với các thông số kết nối giữa hai nút ¡ và j Giá trị điện áp lần lượt tại hai nút ¡ và j được cho bởi V,⁄8, và V¡⁄ð, Khi đó công suất thực và
Trang 24Mô hình đường dây truyền tải có TCSC được lắp đặt giữa nút ¡ và j như hình 1.4 (YYY^ na Ya 3g VAAAAAAAAA jb,/2 jb/2
Hình 1.4a: Mô hình đường dây truyền tải có lap dat TCSC
Ở trạng thái ổn định thì TCSC được xem như một điện kháng -jXc như mô hình 1.4
Khi đó điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đường dây i-j sẽ thay đổi theo biểu thức:
#,=————— (1.15)
Trang 25So dé tuong duong nhu sau: XI jbj/2 Jbi/2 t | 777 7777
Hình 1.4b: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC
Do đó dòng công suất thực và công suất phản kháng trên nhánh ¡-j khi có TCSC sẽ là: Pˆ=V^g, —VƑ (, cos 5, +b sin 6, } (1.17) Pe =V3g —FƑ (g, cos 5, — 6 sin ,) (1.18) Œ =-VẺb; V/V, (z, sind, —b cos 6, ) (1.19) Of =-V3b +VV,(g" sind, +b, cosd, (1.20) Dòng công suất trên nhánh ¡-j khi có TCSC sẽ là: h.=P°+P° =(W2+V?)g, —2V,V,g; cos ổ, (1.21) Ø,=0 +0 =-(V? +V})b +2W/,b; cos ỗ, (1.22)
Như vậy khi lắp đặt TCSC trên nhánh i-j thi dòng công suất truyền trên nhánh tăng
lên Vì theo biểu thức 1.19 và 1.20, với các giá trị x, thay đổi thì ø., » cũng thay đổi
Trang 26Thông thường giá trị điện trở trên các đường dây truyền tải là rất nhỏ so với điện kháng
(r << x) nên để đơn giản trong quá trình tính toán các biểu thức 1.17 và 1.18 có thể được viết lại: tt 8,“ =0 (1.23) Ÿ Ụ b, =e =-+ r +x, xy (1.24) Do đó biểu thức 1.15 được viết lại như sau: VV, =-VVb sind, =—+sin d, f,=-WWb,sinỗ, _ - PF, =—~*sind, (1.25) 1
Và trong trường hợp có lắp đặt thiết bị bù TCSC trên nhánh i-j, dòng công suất truyền
trên nhánh i-j được tính theo biểu thức:
CS — >a ce L2 i
Pe =—VV,b: sind, P — sind, (1.26)
Biểu thức (1.26) cho thdy, kha nang truyén tai trén nhanh i-j cua hé thong điện khi lắp đặt thiết bị bù đọc TCSC được cải thiện đáng kể phụ thuộc vào giá trị bù của thiết bị 1.3 Chế độ bảo vệ của thiết bị FACTS - TCSC
Máy cắt (MC) dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có yêu cầu
Trang 27Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp Đầu tiên là van chống quá áp VAR là một điện trở phi tuyến, bình thường có trị số rất lớn Khi Uc> Uc„ và đạt tới ngưỡng làm việc của VAR, điện trở của VAR giảm rất nhanh, cho phép dòng Iy qua VAR, nho dé, giảm điện áp dư trên tụ C DCL U) C U2 MC Hinh 1.5: so dé nguyén ly TCSC
Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng VAR, trong trường hợp này, khe mỗi phóng điện K sẽ hoạt động Dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K và máy biến dòng Khi tới ngưỡng tác động, Rơ le sẽ có tín hiệu đóng máy cắt MC Do đó, toàn bộ các phần tử
của TCSC và VAR được nối tắt Khi đã nối tắt TCSC, có thể đóng dao cách ly DCL
Trang 28Chwong 2 MO HINH DONG CONG SUAT LFB MANG DIEN PHAN PHOI
HINH TIA CO THIET BI FACTS
2.1 Mô tả phương pháp dòng công suất
Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt với thiết bị (FACTS), đóng vai trò hàng đầu
trong hiệu quả điều khiển dòng công suất trên đường dây và cải thiện chế độ điện áp
của mạng hệ thống điện Những thiết bị mới này có thể làm tăng độ tin cậy và hiệu quả hệ thống truyền tải và phân phối Chúng làm hệ thống truyền tải cung cấp linh hoạt hơn
và có thể điều khiển trong quá trình vận hành hệ thống điện Phân tích dòng công suất
theo thuật toán truyền thống như Newton-Raphson [3] và tách biến nhanh “Fast Decoupled” [4] đã được đưa vào để áp dụng cho mô hình các thiết bị FACTS [5] trong hệ thống [6] đã đề xuất một phương pháp hiệu quả, mà kết hợp biến trạng thái của
thay đổi đầu phân áp tải máy biến áp và những bộ dịch pha với bus điện áp và góc pha
của chúng trong thuật toán dòng tải Newton-Raphson Phương pháp nảy đòi hỏi ma
trận Jacobian đã sửa đổi để kết hợp LTCs và bộ chuyển dịch pha [7], [8| chuyên hóa
từ mô hình dẫn nạp - cơ sở cho các loại thiết bị FACTS điển hình và sự phát triển mội
thuật toán dòng tải tin cậy Newton-Raphson khi gắn thêm mô hình thiết bị FACTS Vì
cả hai thiết bị FACTS được kết nối nối tiếp và mắc shunt trong hệ thống điện (H 2.1),
sự sửa đổi các thuật toán bus định hướng qui ước dẫn đến kết quả phải thêm vòng lặp, vì biến điều khiển cần phải được tính toán là gián tiếp
Trang 29
Mục tiêu chính của thiết bị FACTS được lắp đặt trên một nhánh phân phối là để cải thiện điện áp, hệ số công suất chuẩn, giảm tổn thất đường dây Đường dây phân phối
có tỷ số R/X cao dẫn đến gặp một số các vấn đề hội tụ trong trong phương pháp truyền
thống Sự thay đổi và mở rộng thuật toán dòng tải với thiết bị FACTS đã được trình
bày |9] đã khai tháe mô hình tương tự của Thyristor-controlled-series-capaccitor
(TCSC) để cải thiện điều khiển điện áp trong hệ thống truyền tải hình tia [10] chuyển
hóa từ một phương pháp Newton sửa đổi trong hệ tọa độ vuông góc bằng cách đòi hỏi một ma trận Jacobian bổ xung để kết hợp thêm các thiết bị FACTS nói tiếp liên quan giữa tác động điều chỉnh và biến được điều khiển Hầu hết những đóng góp trên ứng dụng thiết bị FACTs của hệ thống phân phối tập trung vào cách sử dụng công thức Newton-Raphson Những khó khăn gặp phải trong sự hội tụ như trong công thức bởi vì tình trạng xấu tự nhiên của hệ thống hình tia và tỷ số R/X cao của phần đường dây
phân phối
Phương pháp phân phối dòng công suất được trình bảy trong đề tài là thực hiện chính
xác hơn để tính toán dòng dây và độ lớn điện áp bằng cách sử dụng quét dọc về phía
trước và phía sau phía một đường dây hình tia [12], [13] Dòng công suất trên đường dây và bus vector điện áp phức với sự tính toán đơn giản điện áp rơi trên phần trở kháng cho phép dễ dàng xử lý bản chất mất cân bằng cao của mạng phân phối.[15] sử
dụng biến nhánh công suất ít phức tạp hơn để bơm dòng điện và ứng dụng biểu đồ kỹ
thuật ghi nhãn-cây [20] (Breadth-First-Search) trong mạng phân phối hình tia.[I5] mở rộng phương pháp dòng tải ba pha giải quyết hàm số thời gian thực hiện hệ thống phân phối hình tia [16] đưa ra phương trình dòng công suất cho hệ thống phân phối hình tia gọi là Dist-Flow, để xác định tối ưu kích thức và vị trí của tụ.[17] sử dụng khuôn khổ tuyến tính gắn vào một vòng ngoài phi tuyến và cho rằng tốc độ hội tụ được tăng lên
do “% tưởng frực quan tuyến tính một hệ thống phương trình nhiều hơn, tốc độ hội tụ
Trang 30trong thuật toán Line Flow-Based (LFB) sẽ thuận tiện vì biến diéu khién là trực tiếp có
sẵn để giải quyết
Mục tiêu chính của đề tài là để phát triển một công thức LFB của các phương trình cân bằng công suất để phân tích hệ thống phân phối hình tia sẽ hiệu quả khi gắn kết hợp
thiết bị FACTS - TCSC mắc nối tiếp để cải thiện điện áp cho hệ thống điện phân phối
hình tia tại các bus Phương trình LEB sử dụng độ lớn điện áp bus và dòng công suất
như một biến độc lập và xác định trực tiếp liên quan đến biến thiết bị FACTS với điều kiện vận hành hệ thống Các phần tổn thất trên đường dây là thành phần phi tuyến
trong công thức Bằng cách bơm vào các nút dòng công suất một ma trận hệ số của các
phương trình LEB thì chúng trở nên tuyến tính hóa Một sự sắp xếp sơ bộ Breadth-
Eirst-Search (BFS) cấu trúc ma trận hệ số của nhánh biến đổi một cách chặt chẽ phía trên/phía dưới đường chéo và dẫn đến sự thay thế đơn giản phía sau và phía trước cho việc tính tốn dịng cơng suất thực và công suất kháng trong mỗi nhánh và điện áp tại mỗi bus, với phương pháp này việc tính toán trở nên hiệu quả hơn, tỉnh hội tụ đáng tín
cậy và dễ dàng xác định được trị số của thiết bị FACTS đặt vào hệ thống
2.2 Các phương trình cơ bản của phương pháp dòng công suat
Bởi vì dòng công suất trên đường dây và độ lớn điện áp tại các bus có tầm quan trọng
thiết thực trong vận hành của hệ thống phân phối, và thiết bị FACTS điều khiển những
đại lượng, một mô hình dòng công suất dựa trên dòng công suất thực, phản kháng trên
đường dây và độ lớn điện áp tại các bus sẽ cho phép sử lý dễ dàng của thiết bị mắc nỗi
tiếp và mắc song song Phương trình cân bằng công suất thực và phản kháng tại tat ca các bus ngoại trừ những bus cân bằng có thê được viết sử đụng trong ma trận liên thuộc của biểu đồ mạng [I8] Vì tất cả các kết nối song song được loại trừ trong ma trận liên
thuộc (ma trận kề), việc phân phối công suất thực và công suất phản kháng của chúng
được tính toán riêng trong phương trình cân bằng công suất Công suất thực và phản
Trang 31nhánh song song Sau khi phân loại theo qui tắc truyền thống của các bus làm việc, gồm bus cân bằng, bus điều khiển điện áp và bus tải, phương trình LFB được xây dựng
dựa trên bộ ba của phương trình, đó là phương trình cân bằng công suất nguồn, phương
trình điện áp nhánh và phương trình cân bằng công suất 2.2.1 Phương trình cân bằng công suất nguồn
Sử dụng bus ma trận ty 1é hang A tương ứng tất cả các bus khác so với bus cân bằng, bus cân bằng công suất thực và công suất phản kháng có thể được viết như sau:
A.p -PcL— A1 =0 (2.1)
A.q —QcuLT— A?.m — H.VỶ = 0 (22)
A là ma trận hệ số được thành lập từ biểu đồ kỹ thuật ghi nhãn-cây [20] (Breadth-
First-Search) trong mạng phân phối hình tia A’ xác định như bus điều chỉnh ma trận tỷ lệ với '-1” trong ma tran A dat bằng không, I va m 1a tổng tôn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trên nhánh H là ma trận đường chéo, mà
những thành phần là tổng điện nạp và điện nạp bù tại mỗi bus
Pu, và QQẹy, là bus bơm vector công suất được xác định Pq_¡ = Po — Pi va Qaii =
Qe - Qi Trong dé Pg, Qgs Pri Va Q,¡ là công suất tác dụng và phản kháng của
máy phát và tải tai bus i, 1, và mạ là tổn thất công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây 1 p va q là vector dòng công suất thực và phản kháng tại đầu
nhận VẺ là vector điện áp chưa biết ngoại trừ tại bus cân bang, Vv? là binh
phương độ lớn điện áp tại bus ¡
Nếu máy phát điện nằm rải rác trong hệ thống phân phối, những bus máy phát tương
ứng được phân chia thành hai loại đó là hệ số của những bus bơm công suất PQ vào
Trang 33Về bên phải của (2.8) được viết với kị = s¿(Œj” + x7)/V? Đó là tổng của phương trình
điện áp đường day I Tổng số ẩn độ lớn điện áp sẽ giảm xuống tới (n -1) — nạ, khi máy phát phát được quy định như những bus điều khiển điện áp Bởi vì điện áp của một bus PV đã biết, giá trị được đổi chỗ phía bên phải (2.8) Phương trình (2.8) có thể viết bằng
một dạng ma trận như sau
2Rp + 2Xq — (AAT, + A1_).V? = —k+ AACVWy (2.9)
Với A, là bus ma trận liên thuộc tương đương với những bus PV, Vậy là vector bình phương điện áp của bus PV và bus cân bằng A là ma trận đường chéo bậc
L với giá trị của một biến áp nhiều đầu ra bằng bình phương giá trị đầu ra đó
A¡„ và A¡ nhận được từ A; bằng thiết lập tương ứng, giá âm và dương trong A;
bằng zero
R và X là ma trận đường chéo điện trở và điện kháng đường dây Vector k tượng trưng cho số hạng bên phải (2.8) với tất cả các đường dây
2.2.3 Phương trình dòng công suất LFB
Trang 34Phương trình (2.10) được viết đưới hình thức sau:
Ma trận hệ số A pạy? là ma trận hằng mà cần thiết tìm chỉ một thừa số trong suốt
quá trình giải quyết vấn đề Ma trận hệ số không suy biến khi mạng tia là cau trúc
cây với tất cả các nhánh kết nối, và hàng tương đương với nhánh cây trong đỗ thị
mạng độc lập [18]
x là biến vector của công suất tác dụng và phản kháng dòng dây p, q và bình phương độ lớn điện áp VỶ;
y¡ là vector hằng của công suất bơm và bus điện áp PV;
y, la vector biến của tên thất nhánh và nạp và bù công suất Phân tích dòng công suất với phép lặp được bắt đầu với vector y; bằng không Bằng cách sử dụng phép giải vector x trong một phép lặp, phía bên phải (2.12) được cập nhập bằng việc tính toán y; và thêm vector y¡ [19] đã đưa ra tài liệu được thử nghiệm rộng
rãi của công thức LFB cho hệ thống mạng liên thông cho cách xử lý hội tụ tốt như
một phương pháp lặp, ngay cả điều kiện xấu của hệ thống 2.3 Graph của mạng phân phối hình tia
2.3.1 Khai niệm graph trong hệ thông điện
Để diễn tả cấu trúc hình học của mạng điện ta có thể thay thế các thành phần của mạng điện bằng các đoạn đường thẳng đơn không kể đặc điểm của các thành phân Đường thắng phân đoạn được gọi là nhánh và phẩn cuối của chúng được gọi là nút
Nút và nhánh nối liền với nhau nếu nút là phần cuối của mỗi nhánh Nút có thể được
nối với một hay nhiều nhánh
Graph cho thấy quan hệ hình học nối liền giữa các nhánh của mạng điện Tập
hợp con của các graph là các nhánh Graph được gọi là liên thông nếu và chỉ nêu có
Trang 35hướng thì nó sẽ định theo một hướng nhất định Sự biểu diễn của hệ thống điện và
hướng tương ứng của graph trình bày trong hình 2.2
Trang 372.3.2 Graph của mạng phân phối hình tia
Đồ thị mạng phân phối hình tia có một cấu trúc cây không có vòng Tổng số đường
bằng số bus trừ một Khi mô hình của ma trận tỷ lệ phụ thuộc thứ tự đường dây và nút,
ma trận tỷ lệ (2.10) có một cấu trúc mà phụ thuộc trên thứ tự trong các đường dây được
đọc từ đữ liệu Thêm nữa, ma trận tỷ lệ là bình phương và không suy biến bởi việc sắp
xếp lại các đường dây một cách thích hợp, ma trận tỷ lệ có thể thực hiện hoàn toàn trên đường chéo.[13] đã chứng minh điều này bang “su sắp đặt đi từ nút gốc (bus nguồn)" [20] chỉ ra rằng kết quả này trong một tam giác trên ma trân tỷ lệ Điều này dẫn đến tăng tốc trong thời gian tính toán trong giải pháp dòng công suất, như biểu thị sau, Thuật toán BFS sử dụng để đạt điều này được giải thích trong phan này 650 646 — 645 |632_ @3 3§ 634 6ll 684 67 v_ 692 675 I 680
Hình 2.4: Mạng phân phối chuẩn IEEE 13 nút
Mặc dù BEFS và Depth-First Search [2l] là hai dạng khác nhau của phương pháp tìm
kiếm cây đồ thị sử dụng phổ biến, Phương pháp Breadth-Frist-Search (BFS) này được
chọn lựa để tìm kiếm đồ thị mạng phân phối hình tia trong mô hình LFB Ý tưởng cơ
bản của BFS 1a chi dẫn nhiều bus có thể trước khi thâm nhập sâu vào cây Điều này nghĩa là chúng ta phải xem xét tất cả cách bus liền kề với mức hiện tại trước khi đi đến
một bus khác Mô tả vấn tắt của BFS để đánh số lại bus và nhánh có thể tóm tắt trong
Trang 381) Bắt đầu bus nguồn như mức đầu tiên và phân nhánh “hạ lưu” các bus ra như các mức kế tiếp
2) Giống như mức trên, tất cả các số bus được sắp xếp liên tiếp
3) Nhánh đánh số tương tự để mà đánh số các bus, ở mọi cấp độ, số nhánh là một ít
hơn “thượng lưu” số bus
Một ví dụ sử dụng thuật toán BFS [20] được minh họa trong hệ thống phân phối hình
tia có 13 nút và 12 đường dây của [23] biểu diễn trong hi»: 2.4 Đường dây chỉ có trở
kháng nối tiếp Nút được đánh số tùy ý, ví dụ đồ thị phân phối mạng hình tia này được vẽ lại trong hình 2.5 với số thứ bus liên tiếp bắt đầu từ 1, mặc dù bus I được cho bởi
bus nguồn ở đây, những bus khác vây quanh là số tùy ý được cho trong danh sách dữ liệu gốc Điều này có ích khi mạng được cấu hình lại để đáp ứng nhu cầu khác nhau dưới tải và trung chuyển kịch bản dòng trong các nhánh luôn luôn có hướng từ nút nguôn, và vì vậy hướng mũi tên được bỏ qua
source
Hình 2.5 Graph của mạng chuẩn IEEE 13 nút
Ma trận tỷ lệ trong hình 2.5, bao gồm nút nguồn (tại gốc, tên ban đầu là 650) gọi là bus
Trang 39sau, các hàng của ma trận có liên quan với bus và các cột của nó đến các nhánh theo
qui tắc
aj = -L: Nếu nhánh thứ ¡ và nút thứ j có chiều hướng từ nhánh ¡ vào nút j
aii = 1: Nếu nhánh thứ ¡ và nút thứ j có chiều hướng từ nhánh ¡ ra khỏi nút j
aij = 0: Nếu nhánh thứ ¡ và nút thứ j không có mối liên hệ với nhau
Kích thước của ma trận là e x n, với e là số nhánh và n là số nút của graph Ma trận
thêm vào nhánh nút cho trong graph hình 2.5 trình bày như trên A h b I ls I ly ig ly ho hy hạ bus10 —l busi 1 -] ] l bus12 -l busl3 -1 ] hình 2.6: Ma trận tỷ lệ tương ứng với h2.5
Trang 40Sơ đồ cay dugc bé tri lai theo giai thuat BFS dé thanh lập ma tran A
source
hình 2.7: Sơ đề cây được bồ trí lại
Từ sơ đồ cây được bế trí lại ta thành lập ma trận tỷ lệ theo qui tắc trên
h l b h fs Ie I fy b hạ ur ha
P ¬