Nghiên cứu áp dụng các phương pháp và phương tiện điều khiển để nâng cao ổn định và làm việc tin cạy của hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lã Minh Khánh NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH VÀ LÀM VIỆC TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: Mạng Hệ thống điện Mã số: 62.52.50.05 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: VS.GS.TSKH Trần Đình Long TSKH Trần Quốc Tuấn Hà Nội - 2009 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình luận án trước Tác giả luận án ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Mục lục ii Danh mục các chữ viết tắt, bảng biểu, hình vẽ MỞ ĐẦU PHẦN MỘT – PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH VÀ ÁP DỤNG CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TĨNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP 11 Chương - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Các phương pháp tiêu chuẩn đánh giá ổn định hệ thống điện 12 12 1.1.1 Khái niệm kinh điển ổn định tiêu chuẩn lượng 12 1.1.2 Phương pháp tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 14 1.2 Hệ phương trình trạng thái chế độ xác lập chế độ độ HTĐ 1.2.1 Phương trình chế độ xác lập 18 18 1.2.2 Ảnh hưởng giới hạn điều chỉnh cơng suất nguồn đến cấu trúc phương trình CĐXL đặc tính ổn định hệ thống 24 1.2.3 Hệ phương trình chuyển động độ 25 1.3 Phương trình đặc trưng đặc tính ổn định hệ thống tuyến tính 29 1.4 Sự đồng trị số số hạng tự PTĐT với định thức Jacobi hệ phương trình CĐXL 31 1.5 Kết luận chương 32 Chương - PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN NHANH GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP 2.1 Vấn đề xác định giới hạn ổn định 33 33 2.2 Xác định giới hạn ổn định HTĐ phức tạp sở tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ 38 iii 2.2.1 Tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ 38 2.2.2 Xây chương trình tính tốn xác định chế độ giới hạn ổn định HTĐ theo tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ 41 2.3 Các khả chương trình 45 2.4 Kết tính tốn kiểm tra chương trình 46 2.5 Kết luận chương hai 49 Chương - NGHIÊN CỨU CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH HTĐ PHỨC TẠP, ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH SƠ ĐỒ HTĐ VIỆT NAM 50 3.1 Đặt vấn đề 50 3.2 Các tiêu đánh giá mức độ ổn định HTĐ điều kiện vận hành 50 3.2.1 Một số tiêu chủ yếu ứng dụng 51 3.2.2 Nghiên cứu tiêu đánh giá mức độ ổn định sở tính trực tiếp chế độ giới hạn chương trình 59 3.3 Tính tốn, phân tích đặc trưng ổn định HTĐ Việt Nam 70 3.4 Kết luận chương ba 80 PHẦN HAI – NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC THIẾT BỊ BÙ CÓ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 81 Chương - CẤU TẠO MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS VÀ MƠ HÌNH HOẠT ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CỦA CHÚNG TRONG CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ HTĐ 82 4.1 Tiêu chuẩn chất lượng QTQĐ toán điều khiển QTQĐ để nâng cao ổn định động HTĐ 82 4.2 Cuộn kháng có điều khiển thyristor - phần tử FACTS 84 4.3 Máy bù tĩnh (Static Var Compensator - SVC) 88 4.4 Tụ điện bù dọc có điều khiển (Thyristor Controlled Serie Capacitor TCSC) 92 4.5 Tác động điều khiển thiết bị FACTS vấn đề lựa chọn tác động hiệu 95 iv 4.6 Kết luận chương bốn 97 Chương - NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HIỆU QUẢ TCSC VÀ SVC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 98 5.1 Điều khiển tối ưu QTQĐ TCSC để nâng cao ổn định 98 5.1.1 Phân tích hiệu điều khiển TCSC 98 5.1.2 Lựa chọn tác động đóng cắt tối ưu cho TCSC 100 5.1.3 Hiệu điều khiển theo tác động liên tục 108 5.2 Kết tính tốn hiệu TCSC với sơ đồ HTĐ Việt Nam 112 5.3 Hiệu nâng cao ổn định động SVC 116 5.3.1 Đặt vấn đề 116 5.3.2 Hiệu nâng cao ổn định động SVC 117 5.3.3 Tính tốn hiệu SVC cho HTĐ Việt Nam 123 5.4 Các nhận xét kết luận chương năm 129 KẾT LUẬN CHUNG 131 MỘT SỐ KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 134 CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 PHỤ LỤC 145 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CĐXL Chế độ xác lập CĐQĐ Chế độ độ CSTD Công suất tác dụng CSPK Công suất phản kháng ĐDSCA Đường dây siêu cao áp FACTS Flexible Altenative Current Transmisson System (Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) HMT Hàm mục tiêu HTĐ Hệ thống điện NMĐ Nhà máy điện PTĐT Phương trình đặc trưng PTVP Phương trình vi phân QTQĐ Quá trình độ SVC Stactic Var Compensator (Máy bù tĩnh) TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor (Tụ điện bù dọc có điều khiển) TSSC Thyistor Switched Series Capacitor (Tụ điện bù dọc điều khiển dạng đóng cắt) TCR Thyristor Controlled Reactor (Kháng điện có điều khiển) TĐK Bộ tự động điều chỉnh kích từ TĐT Bộ tự động điều chỉnh tốc độ quay turbine DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Hệ số sụt áp nút tải Bảng 3.2.a Độ nhạy nhánh thuộc đường dây siêu cao áp Bảng 3.2.b Độ nhạy nhánh lưới miền Bắc Bảng 3.2.c Độ nhạy nhánh lưới miền Trung Nam Bộ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Khái niệm ổn định theo tiêu chuẩn lượng Hình 1.2 Các điểm cân chế độ giới hạn Hình 1.3 Đặc tính cơng suất hệ thống điện đơn giản Hình 1.4 Khái niệm ổn định theo Lyapunov Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống điện phức tạp dạng chung Hình 1.6 Thiết bị điều chỉnh tốc độ quay turbine Hình 1.7 Cấu tạo chung hệ thống kích từ Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc hàm truyền TĐK tác động tỷ lệ Hình 2.1 Miền giới hạn ổn định hệ thống điện đơn giản Hình 2.2 Giới hạn ổn định hệ thống thiếu cơng suất Hình 2.3 Sơ đồ đẳng trị hình tia cho hệ thống nhiều máy Hình 2.4 Sơ đồ đẳng trị dạng hình tia cho hệ thống tải điện 500kV Việt Nam Hình 2.5 Các dạng ổn định Hình 2.6 Sơ đồ khối chương trình tính CĐXL theo thuật tốn Newton-Raphson Hình 2.7 Sơ đồ khối chương trình tìm giới hạn ổn định Hình 2.8 Thuật tốn hình tia, hình chiếu Hình 2.9 Các thuật tốn tìm lân cận Hình 2.10.a Sơ đồ hệ thống tải điện 500kV Hình 2.10.b Sơ đồ hệ thống điện cho ví dụ tính phân tích tiêu ổn định Hình 3.1 Chuyển động nghiệm PTĐT mặt phẳng phức Hình 3.2 Khái niệm hệ số dự trữ ổn định theo kịch biến thiên thông số Hình 3.3 Hệ thống truyền tải cơng suất nút phát nút tải Hình 3.4 Miền đồng mức số L Hình 3.5 Miền ổn định kích động biến thiên cục Hình 3.6 Biến thiên điện áp nút Hình 3.7 Tốc độ biến thiên điện áp Hình 3.8 Sự thay đổi tốc độ biến thiên góc lệch Hình 3.9.a Tốc độ biến thiên điện áp Qmax = 150MVAr Hình 3.9.b Tốc độ biến thiên góc lệch Qmax = 150MVAr Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống điện 500/220kV Việt Nam năm 2005 Hình 3.11 Biến thiên điện áp số nút sơ đồ hệ thống điện Việt Nam Hình 3.12 Biến thiên tốc độ sụt áp số nút sơ đồ hệ thống điện Việt Nam Hình 3.13 Biến thiên điện áp nút sau đặt SVC Hình 3.14 Biến thiên tốc độ sụt áp nút sau đặt SVC Hình 4.1 Biến thiên dịng điện TCR Hình 4.2 Đặc tính điều chỉnh TCR biên độ sóng hài bậc cao Hình 4.3 Các thành phần cấu tạo SVC Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển SVC có tụ cố định Hình 4.5 Đặc tính làm việc SVC giữ điện áp cố định Hình 4.6 Mơ hình động SVC Hình 4.7 Cấu tạo TCSC Hình 4.8 Đặc tính điều chỉnh TCSC Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển TCSC Hình 4.10 Hàm truyền khâu kênh ổn định Hình 4.11 Điều khiển SVC theo điện áp hệ thống dịng SVC Hình 5.1 Hiệu tác động đóng cắt tụ bù dọc Hình 5.2 Lựa chọn thời điểm tác động tối ưu Hình 5.3 Hiệu điều khiển TCSC dạng đóng cắt Hình 5.4.a Biến thiên điện dẫn với tác động đóng cắt liên tục Hình 5.4.b Hiệu tác động TCSC theo tín hiệu cơng suất Hình 5.5 Ứng dụng TCSC cho hệ thống điện Việt Nam Hình 5.6 Dao động góc lệch máy phát Hịa Bình, Phả Lại, Trị An, Yaly, Sơng Hinh, Phú Mỹ chưa có có đặt TCSC Hình 5.7 Biến thiên điện kháng TCSC trình điều khiển Hình 5.8 Sơ đồ truyền tải cơng suất lớn qua đường dây dài Hình 5.9 Hệ thống điện nhiều máy phát có SVC Hình 5.10 Sơ đồ tính tốn với SVC cho hệ thống điện 500kV Việt Nam năm 2006 Hình 5.11 Kết tính tốn dao động góc lệch rotor máy phát khơng có SVC Hình 5.12 Kết tính tốn hệ số trượt máy phát khơng có SVC Hình 5.13 Kết tính tốn dao động góc lệch rotor máy phát có SVC Hình 5.14 Kết tính tốn hệ số trượt máy phát có SVC Hình 5.15 Dao động cơng suất tác dụng máy phát Hình 5.16 Dao động công suất phản kháng máy phát Hình 5.17 Dao động cơng suất phản kháng SVC MỞ ĐẦU 0.1 Mục đích lý chọn đề tài Cùng với trình đổi phát triển kinh tế đất nước, hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam có bước phát triển nhảy vọt, quy mô công suất lẫn phạm vi lưới cung cấp điện Từ năm 1994, đường dây siêu cao áp 500 KV Việt Nam, với tổng chiều dài gần 1500 km xây dựng xong đưa vào vận hành, nối liền HTĐ khu vực (Bắc, Trung, Nam) thành HTĐ hợp Việc hình thành HTĐ hợp Bắc - Trung - Nam nâng cao hiệu kinh tế, độ tin cậy vận hành, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nhanh chóng nguồn điện đa dạng, công suất lớn, mở rộng phạm vi lưới điện khắp miền đất nước Tuy nhiên, với phát triển nhanh chóng sơ đồ HTĐ Việt Nam với cấu trúc ngày phức tạp, xuất kèm theo nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải quan tâm giải quyết, có vấn đề đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy cho HTĐ hợp ([5], [63], [71], [72]) Theo dự báo quy hoạch phát triển sơ đồ HTĐ Việt Nam đến năm 2020, nhu cầu điện liên tục tăng trưởng nhanh với tốc độ 15 - 20% năm [6] Nhiều nguồn điện cần đưa vào, với quy mô công suất ngày lớn Lưới điện 500 KV phát triển khắp miền đất nước: từ thủy điện Sơn La đến Mũi Cà Mau (tổng chiều dài lên tới 6000km) Bối cảnh đặt nhiều toán cần quan tâm nghiên cứu như: đánh giá giới hạn truyền tải sơ đồ lưới 500 kV theo điều kiện ổn định, nghiên cứu áp dụng phương tiện điều chỉnh điều khiển (SVC, TCSC ) để nâng cao ổn định vận hành an tồn, tạo phần mềm phân tích ổn định lắp đặt thiết bị phần cứng để theo dõi giám sát nguy ổn định Đề 139 34 Gao, Morison G.K., Kundur P., "Voltage Stability Evaluation Using Modal Analysis", IEEE Trans on Power Systems, vol 7, no 4, Nov 1993 35 Gerbex S., Cherkaoui R., and A Germond, "Optimal location of multitype FACTS devices in a power system by means of genetic algorithms", IEEE Trans.on Power Syst., vol 16, no 3, pp 537–544, Aug.2001 36 Grainger John J , Stevenson William D (1994), Power System analysis, McGraw-Hill, Inc New York 37 Hingorani N G and Gyugyi L (1999), Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems, IEEE Press, New York 38 Ian A Hisken, David J Hill, "Incorporation of SVCs into energy function methods", IEEE Trans on Power system, Vol 7, No.1, February, 1992 39 Ichiyanagi K., Goto Y., Yugita K., "Study of power system transient stability using FACTS and SDR", IEEE Trans Power system, Vol 16, No 4, Nov , 2001 40 Ippolito L and Siano P., "Selection of optimal number and location of thyristorcontrolled phase shifters using genetic based algorithms", IEE Proc.–Gener., Transm., Distribut, vol 151, no 5, pp 630–637, Sep 2004 41 James F Gronquist, Wiliam A Sethares, Fernaldo L Alvarado, "Power oscillation damping control strategies for FACTS devices using locally measurable quantities", IEEE Trans Power system, Vol 10, No.3, August, 1995 42 Jiang F., Choi S.S., and Shrestha G "Power System Stability Enhancement Using Static Phase Shifter" IEEE Trans Power System, Vol 12, No 1, February 1997 43 Kessel P., Glavitsch H "Estimating the Voltage Stability of a Power System", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol PWRD-1, No 3, July 1986 44 Kodsi S K and Cañizares C A., "Modeling and Simulation of IEEE 14-bus System with FACTS Controlers", Technical Report 2003-3, University of Waterloo, Waterloo, March 2003 45 Kosterev D N and Kolodziej, "Bang-Bang Series Capacitor Transient Stability Control", IEEE Transactions on Power Systems, Vol 10, No 2, May 1995 pp 915-924 46 Kundur P (1993), Power System Stability and Control, McGraw-Hill Inc, New 140 York 47 Leonidaki E A., Manos G A., and Hatziargyriou N D., "An effective method to locate series compensation for voltage stability enhancement", Elec Power Syst Res, vol 74, no 1, pp 73–81, Apr 2005 48 Leonidaki E A., Georgiadis D P., and Hatziargyriou N D., "Decision trees for determination of optimal location and rate of series compensation to increase power system loading margin", IEEE Trans Power Syst., vol 21, no 3, pp 1303–1310, Aug 2006 49 Lerch E., Povh D., Xu L "Advances SVC Control for Damping Power System Oscillations Power System", IEEE Trans.on Power Systems, Vol 6, Issue 2, May, 1991 50 Li N., Xu Y., and Chen H., "FACTS-based power flow control in interconnected power systems", IEEE Trans Power Syst., vol 15, no 1, pp 257–262, Feb 2000 51 Li B.H., Wu Q.H., "Influence of the transient process of TCSC and MOV on power system stability", IEEE Trans on Power system, Vol 15, No.2, May, 2000 52 Liancheng Wang, Adly A Girgis, "On-Line Detection of Power System Small Disturbance Voltage Instability" IEEE Trans on Power Systems, Vol 11, No.3, August 1966 53 Liancheng Wang, Adly A Girgis "On-Line Detection of Power System Small Disturbance Voltage Instability" IEEE Trans on Power Systems, Vol 11, No.3, August 1966 54 Lima F., Galiana F., Kockar I., and Munoz J., "Phase shifter placement in largescale systems via mixed integer linear programming", IEEE Trans Power Syst., vol 18, no 3, pp 1029–1034, Aug 2003 55 “Load flow control in high voltage power systems using facts controllers,” CIGRE Task Force 30.01.06, Jan 1996 56 Lof P.A., Smed T., Anderson G., Hill D.J., "Fast Calculation of a Voltage Stability Index", IEEE Trans on Power Systems, vol 7, no I Feb 1993, pp 5464 57 Lyapunov A M (1967) Stability of Motion English translaton, Academic Press, 141 Inc., Moscow 58 Machowski J., Robak S., and Bialek J., “Damping of power swings by optimal control of series compensators,” Proc 10th International Conference on Power System Automation and Control, Bled, Slovenia, Oct 1997 59 Marchowiski J., Smolarczyk A., and Bialek J W., "Power System Transient Stability Enhancement by co-ordinated Fast Valving and Excitation Control of Synchronous Generators", CIGRE Symposium "Working Plants and Systems Harder", London, June 1999 60 Marija Ilié & John Zaborszky (2000), Dynamics and Control of Large Electric Power Systems, John Wiley & Sons, Inc New York 61 Martins N., Pinto H., and Paserba J., “Using a TCSC for power scheduling and system oscillation damping-small signal and transient stability studies,” in Proc IEEE/Power Eng Soc Winter Meeting, Singapore, Jan 2000 62 25,52 Mathur R M and Varma R K (2002), Thyristor-Based FACTS Controllers for Electrical Transmission Systems, IEEE Press, New York 63 Mertens Ph., Karoui K., Van Ranst A., "Vietnam North - South 500 kV Transmission System Static and Dynamic Analysis", Seminar on Vietnam 500 kV Transmission System - years in Operation and Future Development Hanoi 1416/12/1999 64 Mike Bryson and Satish Samineni (2006) Sel-421 performance as both a protective relay and a phasor measurement unit white paper Schweitzer Engineering Laboratories, Inc Pullman, WA USA 65 Mithulananthan N., Cañizares C A., Reeve J., and Rogers G J., "Comparison of PSSS, SVC and STATCOM Controllers for Damping Power System Oscillations", IEEE Transactions on Power Systems, Vol 18, No 2, May 2003, pp 786-792 66 Mojtaba Noroozian, Mehrdad Ghandhari, Goran Anderson, I.Hiskens, "Robust Control Strategy for Shunt and Series Reactive compensators to Damp Electromechanical Oscillations", IEEE Trans on Power Delivery, Vol.16, No.4, Nov 2001 67 Nguyen T.T., Derek Humpage W (1992), Computer applycations in power, 142 Energy Systems Center, University of Western Australia 68 Ning Yang, Qinghua Liu, "TCSC controller design for damping interarea oscillations", IEEE Trans on Power system, Vol 13, No.4, November, 1998 69 Noroozian M., Andersson G and Tomsovic K., "Robus Near Time-Optimal Control of Power System Oscillations With Fuzzy Logic", IEEE Trans Power Delivery, Vol 11, No 1, Jenuary 1996 70 Noroozian M., Wilk-Wilcznski A., Halavarsson P., and Niklasson K., “Control strategy for damping of power swings using TCSC”, Proc 6th Symposium of Specialists in Electric and Expansion Planning (VISEPOPE), Brazil, 1998 71 North-South 500 KV transmission system project Technical report (1992) Nippon Koei Co, Ltd Tokyo September 72 North-South 500 kV transmission line Project Consultancy with State committee for technical acceptance (1993) Nippon Koei Co, Ltd Tokyo 73 Pai M.A (1981) Power System Stability Analysis by the Direct Method of Lyapunov North-Holland Publishing Company 74 Paserba J., Miller N., Larsen E., and Piwko R., “A thyristor controlled series compensation model for power system stability analysis”, IEEE Trans Power Syst., vol 10, pp 1471–1478, Nov 1995 75 Paterni P., Vitet S., Bena M., and Yokoyama A., "Optimal location of phase shifters in the French network by genetic algorithm", IEEE Trans Power Syst., vol 14, no 1, pp 37–42, Feb 1999 76 Povh D., Mihalic R "Enhancement of transient stability on AC transmission by means of controled series and parallel compensation" Siemen AG, Erlangen, Germany 77 Program operation guide , program application guide (1998) Power Teconologies, Inc., PSSE 78 Qihua Zhao, Jin Jiang, "Robust SVC controller design for improving power system damping", IEEE Trans on Power system, Vol 10, No.4, November, 1995 79 Racz L.Z., Bokay B (1988), Power System Stability, Elsevier Science Publishers, New York, USA 143 80 Savu C Savulescu, Michael L Oatts, J Gregory Pruitt, "Fast steady-state stability assessment for real time and operations planning", IEEE Trans on Power Systems Vol 8, No 4, November,1993 81 Schweickardt H E., Romegialli G., Reichert K., "Closed Loop Control of Static Var Source (SVS) on EVH Transnission Lines", IEEE/PES 1978 Winter Meeting, New York, pp A 78 135-136 82 Sharma N., Ghosh A., and Varma R., "A novel placement strategy for FACTS controllers" IEEE Trans Power Delivery, vol 18, pp 982–987, Jul 2003 83 Singh J G., Singh S N., and Srivastava S C., "Placement of FACTS controllers for enhancing power system loadability", IEEE Power India Conf., New Delhi, 2006 84 Tamura Y., Mori H and Iwamoto S., "Relationship between voltage instability and multiple load flow solutions in electric power systems", IEEE Trans on Power App and Systems, Vol PAS-102, No 5, May 1983 85 Tamura Y., Mori H and Iwamoto S., "Relationship between voltage instability and multiple load flow solutions in electric power systems", IEEE Trans on Power App and Systems, Vol PAS-102, No 5, May 1983 86 “Thyristor controlled series compensation,” CIGRE Working Group14.18, Dec 1997 87 Tuan Tran-Quoc, Lam-Du S., Le-Kim H., Ut La-Van, Cuong Nguyen-Duc "Investigation of several OPF applications in the Vietnamese power system", IEEE PES Transmission and Distribution Conference & Exposition Conference Proceeding, Vol 2, Session 610, Dallas, Texas 88 Tuan Tran Quoc, Praing Ch., Feuillet R., JSabonnadière C., Ut La Van, Cuong Nguyen Duc, "Improvement of voltage stability on the vietnam power system", IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 23-27 January, 2000, Conference Proceeding, Singapore 89 Venikov V A., Stroev V A., Idelchick V I., Tarasov V I., "Estimation of Electrical Power System Steady State Stability in Load Flow Calculations", IEEE Trans on Pow App Sys., vol PAS-94, May/Jun, 1975, pp.1034-1041 90 Venikov V.A Transient processes in Electrical Power Systems (1977), MIR 144 Publishers, Moscow 91 Walter Sattinger, Rudolf Baumann, Philippe Rothermann (2007), Austrian Utility Installs Wide Area Monitoring System The ABB Group, WAMS evolution 92 Yakout Mansour, Wilsun Xu, "SVC placement using critical modes of voltage instability", IEEE Trans Power system, Vol 9, No.2, May, 1994 93 Веников В.А (1981), Переходные электромеханические процессы в электрических системах, Вышая школа, Москва 94 Веников В.А.,Зуев Э.Н., Портной М.Г., Строев В.А и другие (1982) Управление переходными электромеханическими режимами электроэнергетических систем Вышая школа, Москва 95 Веников В.А., Жуков Л А., Поспелов Г Е (1975), Электрические системы Режимы работы электрических систем и сетей, Вышая школа, Москва 96 Жданов П.C (1948), Устойчивость электрических систем Государственное Энергетическое издательство, Москва 97 Идельчик В.И (1977), Расчеты установившихся режимов электрических система, Энергия, Москва 98 Ландау Л Д., Дифшиц ЕМ (1964), Статистическая физика, Наука, Москва 99 Меркин Д.Р (1971), Введение в теорию устойчивости движения, Наука, Москва 100 Понтрягин Л.С (1961), Обыкновенные дифференциальные уравнения, Изд Физико-математической литературы, Москвва 101 Строев В.А (1996), Переходные электромеханические процессы электрических систем в примерах и иллюстрациях Знак, Москва в 145 PHỤ LỤC PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP BIẾN PHÂN THAM SỐ ĐỂ TỐI ƯU HÓA TÁC ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN QTQĐ Bài tốn tối ưu hóa thông số tác động điều khiển Giả thiết hệ phương trình vi phân (PTVP) chuyển động hệ thống, tác động điều khiển, có dạng sau: dx = f1 ( t , x , x , , x n , Π ); dt dx = f ( t , x , x , , x n , Π ); dt (PL.1,a) dx n = f n ( t , x , x , , x n , Π ) dt Các điều kiện đầu: xi(0) = xi0 ; i=1,2,3, ,n (PL.1,b) Trong đó, xi - thơng số trạng thái hệ thống; П - thông số tác động điều khiển (thể tham số hàm vế phải) xi0 - giá trị đầu thông số trạng thái Cần lựa chọn thông số điều khiển П cho đạt cực tiểu hàm mục tiêu: T J = ∫ G ( x , x , , x n )dt ⇒ (PL.2) ti Trong trường hợp chung, tác động điều khiển chứa nhiều thông số Phương pháp biến phân tham số Cơ sở phương pháp biến phân tham số phân tích số gia hàm mục tiêu (HMT) lân cận giá trị biết tham số Phụ thuộc vào dấu số gia xác định hướng thay đổi tham số HMT nhận cực trị Với hàm mục tiêu tìm cực tiểu (cực đại) cho tham số biến thiên liên bước thay đổi đủ nhỏ, 146 chừng số gia cịn có dấu âm (dấu dương) Thơng số điều khiển tối ưu nhận giá trị tham số trước lúc số gia đổi dấu Giả thiết làm biến thiên thông số lượng ΔП hàm mục tiêu thay đổi, tương ứng với số gia ΔJ Ta có ΔJ = dJ ΔΠ = ΔΠ dτ T n ∂G dx i )dt i dΠ ∫ ∑ ( ∂x t i =1 (PL.3) Ở đây, dxi/dП hàm biến thời gian t, biểu thị tốc độ biến thiên thông số trạng thái hệ thống thay đổi thông số điều khiển П Để xác định hàm cần dựa vào lý thuyết lời giải hệ PTVP Về phương diện toán học, hệ PTVP chứa tham số, lời giải hệ hàm biến thiên theo thời gian phụ thuộc tham số: xi(t, П) Theo định lý tính liên tục khả vi lời giải PTVP theo tham số [100], thời điểm t, hàm xi(t,П) phải liên tục khả vi theo tham số П (dù biểu thức cụ thể nó) Như vậy, đạo hàm riêng lời giải theo tham số hàm thời gian Li(t), đạo hàm dxi/dП nêu Có trường hợp xét đến lý thuyết PTVP: tham số nằm biểu thức vế phải PTVP tham số nằm điều kiện đầu - Trường hợp thứ nhất, hệ có dạng (PL-1,a) Theo lý thuyết PTVP, hàm Li(t) xác định lời giải hệ PTVP sau: n ∂f ∂f dL1 = ∑ Li + ; ∂Π dt j=1 ∂x i n ∂f ∂f dL = ∑ Li + ; ∂Π dt j=1 ∂x i n ∂f ∂f dL n = ∑ n Li + n ; ∂Π dt j=1 ∂x i Các điều kiện đầu: Li (0) = 0; i = 1,2, , n (PL.4,a) (PL.4,b) Trong fi - hàm vế phải hệ phương trình vi phân (PL.1) 147 Hệ (PL.4,a) cịn gọi hệ phương trình sai phân (PL.1), Li(t) hàm sai phân cấp biến trạng thái xi Hệ nhận cách lấy đạo hàm hệ PTVP ban đầu (PL-1) theo tham số П Trên hình (PL-1,a) thể biến phân xi(t) theo tham số Khi ΔП hữu hạn biến phân Δxi thời điểm t hàm xi khác Tuy nhiên ΔП→0 Δxi→0 (phụ thuộc liên tục vào П tốc độ biến thiên khác nhau) Các hàm sai phân Δx i ( t ) ΔΠ →0 ΔΠ L i ( t ) = lim hiểu giới hạn: xi xi0 Δxi(t) t Hình PL.1 Giải đồng thời hệ (PL-1) với (PL-4) ứng với trị số П=П0, ta xác định tất hàm xi(t) Li(t) để tính số gia HMT - Trường hợp tham số nằm điều kiện đầu, hệ PTVP có dạng: dx = f1 ( t , x , x , , x n ); dt dx = f ( t , x , x , , x n ); dt dx n = f n ( t , x , x , , x n ) dt Các điều kiện đầu: xi(0) = φi(П) ; i = 1,2, ,n (PL-5) 148 Trong φi(П) - hàm quan hệ, thể phụ thuộc điều kiện đầu vào tham số Δx i ( t ) ; i = 1, 2, , n Đó thay đổi điều kiện đầu ΔΠ →0 ΔΠ Ta có: L i ( t ) = lim làm biến phân hàm xi suốt trình Ở thời điểm t hàm xi thay đổi liên tục theo tham số Trong trường hợp theo lý thuyết PTVP [103] hệ phương trình sai phân có dạng sau: n dL1 ∂f = ∑ Li ; dt j=1 ∂x i n dL ∂f = ∑ Li ; dt j=1 ∂x i n dL n ∂f = ∑ n Li ; dt j=1 ∂x i Với điều kiện đầu : L i (0) = ∂ ϕ(0, Π ) ∂Π (PL.6,a) Π =Π ; i = 1,2, , n (PL-6,b) Để có hàm xi(t), Li(t) cần giải đồng thời hệ (PL-6) với hệ PTVP ban đầu (PL-5) cho điều kiện đầu: xi(0) = φi(П0) ; i = 1,2, ,n xi Δxi(0) Δxi(t) Hình PL.2 t 149 Phát triển phương pháp biến phân tham số để ứng dụng toán điều khiển QTQĐ nâng cao ổn định HTĐ Xét với tác động điều khiển QTQĐ HTĐ, hệ PTVP mô tả trạng thái hệ thống có dạng (PL-1) (PL-5) Chẳng hạn điều khiển QTQĐ cách đóng cắt tụ bù dọc, thông số cần lựa chọn tối ưu thời điểm đóng cắt, khơng chứa biểu thức hàm vế phải PTVP hay điều kiện đầu Cũng vậy, xét tác động điều khiển dạng xung, với chiều dài xung thông số cần lựa chọn tối ưu Trong trường hợp khơng thể nhận hệ phương trình sai phân theo phương pháp biết nêu Để áp dụng phương pháp tối ưu hóa thơng số cho trường hợp này, cần phát triển nội dụng phương pháp nhằm thiết lập hệ phương trình sai phân tham số biến thiên điểm gián đoạn hàm Xét QTQĐ mô tả hệ PTVP sau: (I) dx i ⎧f i ( x , x , , x n ) =⎨ dt ⎩f i( II) ( x , x , , x n ) ≤ t < τ; τ ≤ t < T (PL-8) i = 1, 2, , n Trong τ thời điểm tác động điều khiển làm thay đổi đột biến thông số cấu trúc hệ thống Vẫn xét hàm mục tiêu dạng chung (PL.2) Dễ thấy, cách mô tả phù hợp với hầu hết tác động điều khiển dạng rời rạc dạng xung Đó tác động loại mơ tả thay đổi vế phải hệ phương trình vi phân Mọi tác động đóng cắt làm thay đổi cấu trúc hệ thống QTQĐ coi tác động điều khiển Tác động hiệu làm thay đổi hàm mục tiêu theo hướng có lợi Trong (PL-8), biểu thức hàm fi(I) fi(II) khác hồn toàn, miễn phụ thuộc vào biến trạng thái xi hệ thống QTQĐ 150 Hình PL.3.a mơ tả diễn biến QTQĐ có tác động điều khiển làm thay đổi thông số hệ thống thời điểm τ τ+Δτ (Δτ đủ nhỏ) Ảnh hưởng thay đổi thời điểm tác động xảy từ sau thời điểm τ (phần gạch chéo) Như Li(t)=0 t< τ, Li(t) ≠ t >τ Hình PL.3.b cho thấy biến phân xi(t) xuất từ sau thời điểm τ giống xuất độ lệch giá trị đầu Δxi thời điểm τ Nhận xét giúp ta suy cách thiết lập hệ phương trình sai phân biến phân tham số điểm gián đoạn τ hàm Thật vậy, từ hình vẽ ta tính biến phân Δxi thời điểm τ, gây thay đổi lượng nhỏ Δτ theo giả thiết: Δxi(τ) = Δxi(I)(τ) - Δxi(II)(τ) (PL-9) Có thể hiểu Δxi(τ) biến phân "điều kiện đầu τ" hệ phương trình vi phân QTQĐ Từ áp dụng phương pháp biến phân điều kiện đầu để thiết lập hệ phương trình sai phân (từ sau thời điểm τ) Theo (PL-6,b) để có điều kiện đầu hệ phương trình sai phân, ta cần tìm đạo hàm hàm xi τ theo tham số Chia vế (PL-9) cho Δτ lấy giới hạn Δτ → ta nhận điều kiện đầu phương trình sai phân τ: Li(τ) = fi(I)(τ,X) -fi(II)(τ,X); i = 1, 2, , n Như vậy, hệ phương trình sai phân trường hợp thiết lập sau: n ∂f ( II) dL i = ∑ i Lj; dt j=1 ∂x j i=1,2, ,n Điều kiện đầu τ : Li(τ) = fi(I)(τ,X) -fi(II)(τ,X); (PL-10,a) (PL-10,b) Có thể hiểu giá trị fi(I)(τ,X) -fi(II)(τ,X) "bước nhẩy" hàm vế phải thời điểm τ 151 xi Δxi(t) Δτ τ fi t τ+Δτ f i( I ) f i( II) t a) xi(I)(t) -Δxi(II)(τ) Δxi(I)(τ) xi(II)(t) Δτ τ t τ+Δτ b) Hình PL-3 152 Ví dụ Xét hệ PTVP HTĐ sau: dδ = s; dt ds ω0 = dt TJ ⎞ ⎛ EU ⎜⎜ PT − sin δ ⎟⎟; XL − XC ⎠ ⎝ (PL-11) Các điều kiện đầu: δ(0) = δ0 ; s(0) = 0; Dễ thấy phương trình QTQĐ HTĐ đơn giản, máy phát có sđđ E nối với điện áp không đổi U, Đường dây có bù dọc với dung lượng XC Xét trường hợp bù dọc TSC đóng cắt thay đổi từ XCmin lên XCmax ngược lại Hãy thiết lập hệ phương trình sai phân tác động đóng cắt thời điểm τ Đặt điện dẫn hệ thống y = 1/(XL-XC) điều khiển TSC trị số y nhận giá trị ymin ymax Để tổng quát ta ký hiệu điện dẫn hệ thống trước τ y(I) sau τ y(II) (nghĩa y(I) = ymax y(II) = ymin ngược lại) Viết lại theo (PL-8) ta có hệ: dδ = s; dt ⎧ ω0 (PT − EUy ( I) sin δ) ≤ t < τ ; ⎪ ds ⎪ TJ =⎨ dt ⎪ ω0 ( PT − EUy ( II ) sin δ ) τ ≤ t < T ; ⎪⎩ TJ (PL-12) Các điều kiện đầu: δ(0) = δ0 ; s(0) = 0; Theo phương pháp trình bầy phần ta thiết lập hệ phương trình sai phân nhưa sau: dL δ = LS ; dt dL S ω = − EUy ( II) cos δ.L δ ; dt TJ Điều kiện đầu t = τ : (PL.13,a) 153 L δ (τ) = 0; L S (τ) = − ω0 EU( y ( I ) − y ( II) ) sin δ TJ (PL.13,b) Trong hệ phương trình hàm sai phân ký hiệu tương ứng theo biến: Lδ = dδ/dτ; LS = ds/dτ; Giả thiết hàm mục tiêu chọn cực tiểu hàm lượng toàn phần cuối trình điều khiển (t=T): J = W (δ, s) t = T = TJ s − [PT (δ − δ ∞ ) + EUy(cos δ − cos δ ∞ )] ⇒ ω0 Đạo hàm HMT theo τ ta có: dJ dW ∂W ∂W = LS + Lδ t =T = ∂δ dτ dτ ∂δ T = J sL S − (PT + EUy sin δ)L δ ω0 Các biến δ, s, Lδ, LS - nghiệm hệ (PL-12) (PL-13) ... PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH VÀ ÁP DỤNG CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TĨNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP 11 Chương - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Các phương pháp. .. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH VÀ ÁP DỤNG CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TĨNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP 12 Chương - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Các phương pháp tiêu... biện pháp nâng cao ổn định tĩnh HTĐ phức tạp 10 Chương 1: Tổng quan phương pháp phân tích ổn định hệ thống điện Chương Phương pháp tính tốn xác định nhanh chế độ giới hạn ổn định hệ thống điện phức