Một trong các giải pháp để tránh quá tải cho các đường dây là phân bố tối ưu dòng công suất trên lưới điện bằng cách sử dụng thiết bị điều chỉnh dòng công suất hợp nhất UPFC (Unified Power Flow Controller). Vì vậy trong bài báo này, vấn đề lựa chọn vị trí đặt của thiết bị UPFC được tính toán trên mô hình lưới điện mẫu.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) TỐI ƯU THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH DỊNG CƠNG SUẤT HỢP NHẤT (UPFC) CHO LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI OPTIMAL CONTROL PARAMETER SETTINGS OF UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER (UPFC) IN TRANSMISSION NETWORKS Trần Anh Tùng, Nguyễn Nhất Tùng Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Sự phát triển không ngừng phụ tải điện giai đoạn dẫn đến tình trạng tải thường xuyên đường dây truyền tải Vấn đề ảnh hưởng đến tính ổn định độ tin cậy vận hành hệ thống điện Một giải pháp để tránh tải cho đường dây phân bố tối ưu dòng cơng suất lưới điện cách sử dụng thiết bị điều chỉnh dòng cơng suất hợp UPFC (Unified Power Flow Controller) Trong báo này, vấn đề lựa chọn vị trí đặt thiết bị UPFC tính tốn mơ hình lưới điện mẫu Từ khóa: UPFC, phân bố tối ưu cơng suất, q tải, hệ thống điện Abstract: In recent years, the increase in loads has caused overload of several transmission lines This could affect the stability and reliable operation of the power system To avoid the overload of transmission lines, optimal power distribution is one of the best solutions, using unified power flow controller (UPFC) In this paper, the allocation of UPFC is calculated on a IEEE - bus system Optimal operation parameters of the device are also determined at the chosen location Keywords: UPFC, optimal power distribution, overload, power system GIỚI THIỆU CHUNG1 Sự phát triển nhanh cộng với phân bố Ngày nhận bài: 02/09/2014; Ngày chấp nhận: 04/11/2014; Phản biện: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn SỐ - 2015 phụ tải xa trung tâm sản xuất điện làm cho tải đường dây truyền tải ngày rõ nét Mặt khác, biện pháp xây dựng lưới điện có nhiều hạn chế như: chi phí cao, thời gian lâu, vấn đề pháp lý giải phóng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) mặt Trong bối cảnh đó, thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) biết đến giải pháp tối ưu cho phép nâng cao khả truyền tải, cải thiện ổn định hệ thống điện [1, 2] Trong số thiết bị FACTS, UPFC thiết bị có tính khả thi cao Thiết bị cung cấp điều khiển đồng thời độc lập tham số hệ thống quan trọng như: dòng cơng suất tác dụng, dòng cơng suất phản kháng, tổng trở điện áp [3] Thiết bị cung cấp chức linh hoạt cho ứng dụng kết hợp điều khiển góc pha với chức bù dọc bù ngang Các chế độ vận hành UPFC thay đổi mà tác động đến phần cứng cho phép thích ứng với thay đổi đặc biệt hệ thống điện Chính vậy, tốn q tải đường dây loại trừ cách phân bố tối ưu dòng cơng suất lưới điện thông qua việc sử dụng UPFC [4] Tuy nhiên, vấn đề lựa chọn điểm đặt UPFC lưới điện cần phải nghiên cứu để tìm vị trí đặt phù hợp thỏa mãn điều kiện tổn thất công suất tác dụng lưới điện đạt cực tiểu Bài báo từ đề cập đến việc lựa chọn điểm đặt thiết bị UPFC xác định tham số điều khiển tối ưu thiết bị cho đạt tiêu chí tổn thất cơng suất tác dụng lưới cực tiểu máy biến áp (MBA) hai biến đổi dạng nghịch lưu áp kết nối theo kiểu lưng tựa lưng, liên kết với tụ DC dự trữ công suất minh họa hình Hình Cấu tạo thiết bị UPFC Bộ biến đổi (CONV1) kết nối ngang biến đổi (CONV2) kết nối dọc với đường dây Bộ biến đổi ngang CONV1 sử dụng chủ yếu để cung cấp công suất tác dụng yêu cầu từ biến đổi nối tiếp CONV2, thông qua liên kết DC chung Bộ CONV1 bơm tiêu thụ công suất phản kháng cần, từ cung cấp cách độc lập khả bù công suất phản kháng cho đường dây Bộ CONV2 cung cấp chức UPFC cách đưa thêm vào nguồn điện áp nối tiếp với đường dây, với biên độ góc pha điều chỉnh được, minh họa mơ hình hai nguồn điện áp UPFC (hình 2) CẤU TẠO VÀ MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA UPFC Thiết bị UPFC cấu tạo bao gồm hai Hình Mơ hình hai nguồn điện áp UPFC SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Điện kháng Xs mơ tả điện kháng nhìn từ phía MBA dọc tính (trong đơn vị tương đối) sau: = ( ) (1) Trong đó, Xk: điện kháng máy biến áp dọc, rmax: giá trị cực đại đơn vị điện áp bơm thêm vào, Vse, SB: công suất hệ thống, SS: công suất định mức biến đổi nối tiếp CONV2 UPFC mơ hình hóa thơng qua ba tham số: công suất phản kháng Qconv1 CONV1, biên độ r góc pha γ nguồn điện áp nối tiếp bơm thêm vào Vse Nguồn điện áp nối tiếp mơ hình hóa nguồn áp nối tiếp lý tưởng Vse, với biên độ góc pha điều khiển = Với ≤ ≤ , ≤ ≤2 Trong i nút gửi j nút nhận Các dòng cơng suất bơm thêm vào nút i j có mặt UPFC Pi,upfc, Qi,upfc, Pj,upfc, Qj,upfc có biểu thức sau: , 1.02 = 0.02 sin( sin − − + ) , = sin , =− cos , = cos( − (2) + (3) (4) − + )(5) với bse = 1/Xs KẾT QUẢ 3.1 Lựa chọn điểm đặt UPFC Bài toán áp dụng lưới mẫu chuẩn nút IEEE hình Các tính tốn thực chương trình viết phần mềm Matlab Mơ hình tốn học UPFC phát triển việc thay nguồn điện áp điện kháng nguồn công suất bơm vào nút i j hình Hình Sơ đồ lưới điện IEEE – nút Hình Mơ hình tốn học UPFC SỐ - 2015 Thông số đường dây lưới điện giới thiệu bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Thông số đường dây lưới điện Từ nút Tới nút R (pu) X (pu) B/2 (pu) 0.1 0.2 0.02 0.08 0.3 0.03 0.05 0.2 0.02 0.05 0.25 0.03 0.07 0.2 0.025 0.1 0.3 0.02 0.05 0.1 0.01 0.02 0.1 0.01 0.12 0.26 0.025 0.1 0.3 0.02 0.2 0.4 0.04 Thông số nút lưới điện giới thiệu bảng Bảng Thông số đường dây lưới điện Điện áp (pu) Pgen (pu) Pload (pu) Qload (pu) Nút nguồn PV 1.05 0.5 0 Nút nguồn PV 1.05 0.6 0 Nút tải 1.07 0.7 0.7 Nút tải 0.7 0.7 Nút tải 1.7 1.7 Số nút Loại nút Nút cân Thiết bị UPFC đặt nút tải (kết nối với nút tải nằm nhánh khác nhau) Với vị trí đặt UPFC, trào lưu cơng suất tính tốn sử dụng phương pháp Newton-Raphson Lưu đồ thuật tốn giải tích lưới điện có mặt UPFC minh họa hình Tổn thất công suất tác dụng lưới điện xác định sau tính tốn trào lưu cơng suất vị trí đặt UPFC xét Sau đó, q trình lặp lại UPFC đặt vị trí Q trình tính tốn kết thúc xác định vị trí đặt UPFC cho phép đạt tổn thất công suất tác dụng lưới điện cực tiểu Thuật tốn xác định vị trí đặt UPFC minh họa hình Trong tính toán kể trên, tham số vận hành r góc pha γ nguồn điện áp nối tiếp Vse UPFC chọn sau: r = 0.01 (r nằm khoảng 0≤ r ≤0.05), γ = 240°, điện kháng CONV2 UPFC Xk = 0.8, rmax = 0.05, Sconv2 = 50 MVA Kết tính tốn tổn thất cơng suất tác dụng lưới điện với vị trí đặt khác UPFC giới thiệu hình Từ kết ta thấy, phần lớn trường hợp tổn thất công suất tác dụng lưới điện giảm có mặt thiết bị UPFC lưới Trong đó, vị trí đặt UPFC nút nhánh 1-6 cho phép đạt tổn thất công suất tác dụng lưới nhỏ (0.1346 pu) Do đó, vị trí lựa chọn để đặt UPFC SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Lưu đồ thuật tốn Newton-Raphson giải tích lưới điện có mặt thiết bị UPFC lưới SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Thuật tốn tìm điểm đặt UPFC lưới điện 0,5 Tổn thất công suất tác dụng có mặt UPFC 0,45 Tổn thất cơng suất tác dụng chưa có UPFC 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Nhánh 1-6 A Nút Nhánh 2-6 Nút Nhánh 5-6 Nút Nhánh 5-6 Nút Nhánh 4-5 Nút Nhánh 3-5 Nút Nhánh 2-5 Nút Nhánh 1-5 Nút Nhánh 2-4 Nút Nhánh 3-4 Nút Nhánh 4-5 Nút Hình Tổn thất công suất tác dụng lưới điện đặt UPFC vị trí khác SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 3.2 Lựa chọn tham số điều khiển UPFC Với vị trí lựa chọn đặt nút nhánh 1-6, ảnh hưởng tham số điều khiển UPFC đến điện áp nút nghiên cứu Kết tính tốn thay đổi điện áp nút với biến thiên tham số điều khiển r từ 0.01 đến 0.05 tương ứng với trường hợp góc γ = 0°, 120° 240° thể hình Tổn thất cơng suất tác dụng lưới điện thay đổi giá trị tham số điều khiển r từ 0.01 đến 0.05 ứng với góc điều khiển γ = 0°; 120° 240° thể hình Hình Sự thay đổi mô đun điện áp nút thay đổi tham số điều khiển UPFC Các kết (hình hình 9) cho thấy tham số điều khiển r chọn giá trị 0.025 γ = 240° cho phép cải thiện điện áp nút (bằng 1.04pu) tổn thất công suất tác dụng lưới điện thấp (bằng 0.1pu) Hình Tổn thất cơng suất tác dụng lưới điện thay đổi tham số điều khiển UPFC KẾT LUẬN Việc nghiên cứu lựa chọn điểm đặt tham số điều khiển tối ưu UPFC cho phép cải thiện điện áp nút kết nối làm giảm tổn thất công suất tác dụng lưới điện thực mơ hình lưới điện chuẩn IEEE Tiếp theo, kết nghiên cứu ảnh hưởng tham số điều khiển tới điện áp nút lựa chọn tổn thất cơng suất tác dụng tồn lưới điện thực Đây kết bước đầu khả quan, cho thấy tính ứng dụng cao sử dụng lưới điện thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ramirez, J.M., D’avalos, R.J., and Valenzuela Coronado, I.A.:‘FACTS based stabilizers coordination’, Electr Power Energy Syst.,02, pp.233–243 SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [2] DGaliana, K Almeida, M.Toussaint, J.Griffin, D Atanackovice, "Assessment and Control of the FACTS Devices on Power Performance", System IEEE Trans Power Systems, vol.11, Nov.96, no.4, pp.1931-1936 [3] L Gyugyi, “A unified power flow control concept for flexible AC transmission systems”, IEE Proc., Part-C, Vol.139, No.4, Jul.92, pp.323-331 [4] S N Singh, I Erlich, “Locating unified power flow controller for enhancing power system loadability”, International Conference on Future Power System, 16 -18, Nov 2005, pp.1–5 [5] C R Puerle-Esquivel and E Acha, “A Newton-type algorithm for the control of power flow in electrical power networks”, IEEE Trans Power System, Vol 12, no 4, Nov 1997, pp 1474-1480 [6] Fang, W.L., and Ngan, H.W.: ‘Control setting of unified power flow controllers through a robust load flow calculation’, IEE Proc., Gener.Transm.Distrib., 1999, 146, (4), pp 365–369 Giới thiệu tác giả: Tiến sĩ Trần Anh Tùng sinh năm 1984 Hà Nội, tốt nghiệp chuyên ngành Hệ thống điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2007, tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật điện Học viện Công nghệ Grenoble, Pháp năm 2008, nhận Tiến sĩ Kỹ thuật điện Đại học Toulouse III, Pháp năm 2011 Tác giả công tác Khoa Hệ thống điện - Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực quan tâm nghiên cứu bao gồm thiết bị FACTS, vật liệu cách điện cho cáp điện lực, kỹ thuật điện cao áp Tiến sĩ Nguyễn Nhất Tùng sinh năm 1982, tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2005, nhận Thạc sĩ năm 2006, Tiến sĩ năm 2009 Grenoble-INP - Pháp chuyên ngành Hệ thống điện thiết bị điện Tác giả có nhiều năm kinh nghiệm việc tính tốn phần tử hạn chế dòng điện ngắn mạch, đặc biệt phần tử hạn chế dòng điện ngắn mạch có sử dụng tính chất vật liệu siêu dẫn, đồng thời nghiên cứu phát cố máy điện sử dụng điện thông minh, lượng Hiện tác giả công tác Khoa Hệ thống điện - Trường Đại học Điện lực SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 10 SỐ - 2015 11 ... tác dụng lưới điện thay đổi tham số điều khiển UPFC KẾT LUẬN Việc nghiên cứu lựa chọn điểm đặt tham số điều khiển tối ưu UPFC cho phép cải thiện điện áp nút kết nối làm giảm tổn thất công suất tác... truyền tải, cải thiện ổn định hệ thống điện [1, 2] Trong số thiết bị FACTS, UPFC thiết bị có tính khả thi cao Thiết bị cung cấp điều khiển đồng thời độc lập tham số hệ thống quan trọng như: dòng. .. cơng suất tác dụng lưới điện thay đổi giá trị tham số điều khiển r từ 0.01 đến 0.05 ứng với góc điều khiển γ = 0°; 120° 240° thể hình Hình Sự thay đổi mô đun điện áp nút thay đổi tham số điều khiển