Ứng dụng phương pháp giá trị riêng để xác định điểm đặt TCSC nhằm cản dao động công suất trong hệ thống điện Việt Nam - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Tuy nhiên, việc phân tích đầy đủ các giá trị riêng (tính toán tất cả các giá trị riêng, và các tập hợp các vectơ đặc trưng cũng như hệ số tham gia của tất cả các chế độ) là phi thực [r]

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015

42

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIÁ TRỊ RIÊNG ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐẶT TCSC

NHẰM CẢN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

APPLICATION OF EIGENVALUE BASED METHOD TO ALLOCATE TCSC FOR DAMPING POWER OSCILLATIONS IN VIETNAM POWER SYSTEMS

Trần Quốc Dũng(1), Nguyễn Đăng Toản(2) (1)

Applied Technical Systems Companny (ATS Co., Ltd.) (2)

Trường Đại học Điện lực Tóm tắt:

Hệ thống điện (HTĐ) ngày vận hành gần giới hạn ổn định an ninh Do HTĐ phải đối mặt với dao động, dẫn đến cố tan rã HTĐ Bài báo giới thiệu phương pháp giá trị riêng để phân tích dao động HTĐ, đồng thời phương pháp phần dư dùng để lựa chọn điểm đặt tối ưu thiết bị điều khiển TCSC Việc lựa chọn biến điều khiển cho TCSC thảo luận cách vắn tắt Kết áp dụng với HTĐ Việt Nam chứng tỏ hiệu TCSC việc cản dao động công suất

Từ khóa:

Dao động cơng suất, phương pháp phần dư, TCSC Abstract:

Power systems are currently operating close to stability and security limits Power systems may face with some oscillations which could lead to power system blackouts The paper is devoted to present the Eigenvalue based method for power system oscillations analysis Then Residue Index is used to locate controllers such as TCSC Discussions of chosing controller input signals for TCSC are also introduced in brief Results from Vietnam power system have demonstrated the effectiveness of TCSC in damping power system oscillation.1

Keywords:

Power oscillations; Residue index;TCSC

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 43

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung HTĐ Việt Nam ngày vận hành gần tới giới hạn ổn định an ninh Những cố tan rã HTĐ gần giới chứng minh điều Rất nhiều cố khác như: ngắn mạch, đường dây, tải, hư hỏng thiết bị khác HTĐ, ảnh hưởng đến ổn định làm việc HTĐ Kết nhiều HTĐ phải đối mặt với dao động công suất có ngun nhân thiếu mơ men cản Điển hình cố tan rã HTĐ bang miền Tây nước Mỹ (WSCC) ngày 10/8/1996 với thiệt hại: 30500 MW tải bị cắt, 7.5 triệu người phải chịu cảnh điện từ vài phút đến [1,2] Tần số dao động HTĐ thường thay đổi khoảng từ 0.1-2 Hz phụ thuộc vào số lượng máy phát điện (MPĐ) thiết bị điều khiển tự động tham gia vào dao động Các dao động địa phương (local mode) nằm dải tần số 0.7-2Hz bao gồm dao động MPĐ nhà máy điện với phần lại HTĐ Các dao động liên vùng nằm dải 0.1-0.7Hz liên quan đến dao động nhóm MPĐ với nhau, vùng với phần lại HTĐ [3] Dao động liên vùng có tần số dao động thấp lại nguy hiểm hơn, với tham gia nhiều MPĐ

Một thách thức làm để phát triển chiến lược để ngăn chặn tình trạng nguy kịch đó, cần biện pháp phòng ngừa biện pháp cứu vãn Trên quan điểm phòng ngừa, cần phải nâng cao hệ

thống điều khiển cách thêm thiết bị điều khiển thơng minh nhằm đối phó với tình xảy HTĐ Hiện người ta chứng minh thiết bị FACTS (hệ thống điện xoay chiều linh hoạt) - ví dụ TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor-thiết bị tụ bù dọc tĩnh điều khiển Thyristor) đóng vai trị lớn việc nâng cao khả truyền tải đường dây có, mà cịn có vai trị việc cung cấp thêm mơ men cản, giảm dao động công suất, giảm nguy cộng hưởng tần số thấp Tuy nhiên TCSC thiết bị đắt tiền vấn đề xác định vị trí tối ưu TCSC toán quan tâm

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015

44

Một phương pháp chọn lựa để phân tích đầy đủ tất giá trị riêng ma trận mạng điện sử dụng kỹ thuật phân tích giảm trừ theo thứ tự bao gồm phần nhỏ chế độ hệ thống Có số phương pháp thành công công bố tài liệu [1], [13-14], phân tích mơ hình lựa chọn (Seclective Modal Analysis-SMA), phương pháp Arnoldi hiệu chỉnh (Modifier Arnoldi Method), phương pháp (Dominant Pole Eignsolver) thuật toán AESOPS phát triển EPRI Tất phương pháp xây dựng ma trận với số kích thước nhỏ mà có giá trị riêng ma trận quan tâm Họ sử dụng nhiều cách tiếp cận để xây dựng ma trận Phân tích mơ hình lựa chọn (Selective Modal Analysis-SMA) dựa tập hợp chế độ quan tâm có liên quan tới phận phụ có liên quan tới biến số trạng thái ảnh hưởng tới phần động hệ thống điện Phương pháp Arnoldi hiệu chỉnh Modifier Arnoldi Method thuật toán tiếp cận chọn lựa cho việc tính tốn số nhỏ giá trị riêng ma trận xung quanh điểm lựa chọn kế hoạch phức tạp sử dụng kỹ thuật giảm ma trận A giảm xuống tới ma trận Hessenberg Phương pháp Dominant Pole Spectrum Eignsolver sử dụng phương phương pháp thuật tốn phân tích giá trị riêng lặp Bi-Iteration tập trung vào chế độ chiếm ưu chức chọn Phương pháp AESOPS tính giá trị riêng kết hợp với mơ hình góc

rơto, đôi liên hợp phức tạp giá trị riêng thời điểm

Mỗi phương pháp miêu tả có đặc điểm đặc biệt riêng, tạo ứng dụng riêng cho loại cụ thể Tuy nhiên, khơng có phương pháp số chúng đáp ứng tất yêu cầu phân tích ổn định hệ thống điện, giải pháp tốt sử dụng số kỹ thuật bổ sung cách Bài báo trước tiên giới thiệu phương pháp giá trị riêng để phân tích dao động HTĐ Sau đó, ứng dụng phương pháp hệ số phần dư để lựa chọn điểm đặt tối ưu cho TCSC để giảm dao động công suất HTĐ Việt Nam

2 PHƯƠNG PHÁP GIÁ TRỊ RIÊNG ĐỂ PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT

2.1 Phương pháp giá trị riêng Khi nghiên cứu vấn đề dao động cơng suất, kích động thường coi đủ nhỏ nên ta áp dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc cân HTĐ Một HTĐ động miêu tả hệ phương trình sau [1], [4], [5]:

u D x C y

u B x A x

    

    

(1)

trong đó:

x - vectơ biến trạng thái: nx1;

y - vectơ biến đầu ra: mx1;

u - vectơ biến điều khiển đầu vào: rx1;

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 45

B - ma trận điều khiển: nxr;

C - ma trận đầu ra: mxn;

D - ma trận biến điều khiển:

mxr

Các giá trị riêng ma trận tính sau:

Bằng cách lấy biến biến đổi Laplace phương trình vi phân (II-1), có:

( ) (0) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

  

 

s Δx s Δx A Δx s B Δu s

Δy s C Δx s D Δu s (2)

Sắp xếp lại phương trình (2), có:

 

 

 

( ) (0) ( )

( ) (0) ( )

det

  



   



s I A Δx s Δx B Δu s

adj s I A

Δx s Δx B Δu s

s I A

(3) Các cực hệ thống động nghiệm phương trình:

 

det s I A 0 (4) Các giá trị s thỏa mãn giá trị riêng ma trận A, phương trình (4) gọi phương trình đặc tính ma trận

A Các giá trị riêng ma trận có nhiều ý nghĩa phân tính ổn định với nhiễu loạn nhỏ

Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov I [1]: giá trị riêng ma trận (hoặc chế độ modes) xác định đặc tính ổn định hệ thống Khi giá trị riêng ma trận trạng thái số thực dương (hoặc số thực âm), xác định đáp ứng theo hàm số mũ tăng lên (hoặc giảm xuống) góc roto Khi giá trị riêng ma trận trạng thái A số phức có phần thực dương (hoặc âm) cho đáp ứng

dao động với biên độ tăng lên (hoặc giảm xuống) góc roto Đáp ứng hệ thống kết hợp đáp ứng n chế độ HTĐ

Các vectơ riêng ma trận dạng phương thức:

Giả thiết = 1,2…n giá trị riêng

của ma trận A, với giá trị riêng i,

các vectơ đặc trưng phải i vectơ đặc

trưng trái i xác định sau: .

.

 

i i i

T T

i i i

AΦ λΦ

Ψ A λΨ (5)

Vectơ đặc trưng trái phải tương ứng với giá trị riêng khác ma trận trạng thái A ma trận trực giao Trong thực tế vectơ phổ biến, để: Ψ Φi i1 Ψ Φj i 0 i ≠j Để trình bày thuộc tính vectơ đặc trưng ma trận A, có số ma trận giới thiệu dạng phương thức sau:

1

1





  



A Φ Φ A Ψ Φ I

Ψ Φ

Φ AΦ Λ

(6)

Trong trường hợp:

1

[ , , , ], [ , , , ]

 n  T T nT

Φ Φ Φ Φ Ψ Ψ Ψ Ψ

là vectơ đặc trưng phải trái A ma trận chéo có giá trị riêng ma trận 1, 2,…,n

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015

46

 biết ma trận có chế độ mode trạng thái, với đường giá trị i

được biết chế độ thứ i tương ứng với giá trị riêng i ma trận trạng thái

Véc tơ đặc trưng có chế độ lý đáp ứng tự nhiên (ví dụ, phân nhóm, pha, đáp ứng tần số dao động máy phát trải qua chế độ độ điện cơ) Nó đánh giá hoạt động biến trạng thái chế độ dao động định Ma trận véc tơ trái đánh giá khả điều khiển đến chế độ

2.2 Hệ số tham gia

Một vấn để sử dụng vectơ đặc trưng phải trái cách độc lập cho việc nhận dạng mối quan hệ biến trạng thái chế độ yếu tố vectơ đặc trưng độc lập đơn vị tỷ lệ thuận với biến trạng thái Giải pháp cho vấn đề ma trận gọi ma trận hệ số tham gia (P) gồm tổ hợp với vectơ đặc trưng trái, phải phép đo liên hệ giá trị biến trạng thái chế độ

P = [p1p2 pn] (7)

có

1 1

2 2

   

   

   

 

   

   

   

   

 

i i i

i i i

i

ni ni in

p Φ Ψ

p Φ Ψ

p

p Φ Ψ

(8)

trong đó:

ki: thành phần hàng thứ k cột

thứ i ma trận phương thức , đầu vào thứ k vectơ đặc tính phải;

ik: Thành phần hàng thứ i cột

thứ k ma trận phương thức , đầu vào thứ k vectơ đặc tính trái Thành phần pki kiik gọi hệ số tham gia, đại lượng khơng có thứ nguyên Nó giá trị đo ảnh hưởng biến trạng thái thứ k chế độ thứ

i Vì vậy, hệ số tham gia sử dụng cho việc xác định dùng ổn định HTĐ (power system stabilizer-PSS) cần thiết cho việc cản dao động HTĐ [7] Nếu hệ số tham gia máy phát nằm khu vực có giá trị lớn, ổn định HTĐ - PSS phải đặt máy phát điện để cản dao động HTĐ

2.3 Chỉ số quan sát được, điều khiển

Để phân tích nhiễu loạn nhỏ ta biễu diễn chúng theo phương pháp biến đổi dạng phương thức z xác định phương trình (1), [1], (6)

 

 



Φ z A Φ z B Δu

Δy C Φ z D Δu (9)

Ở “dạng chuẩn” hệ (9) viết sau:

' '

 

 



z A z B Δu

Δy C z D Δu (10)

trong ' ( ) ' ( )



 

 

i i

i i

B b λ Φ B

C c λ CΦ (11)

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015 47

Chúng ta quan sát cột thứ i ma trận

C’ không xác định không biến đổi góp phần vào việc hình thành liệu đầu Nếu cột có giá trị 0, tương ứng với chế độ khơng quan sát Điều giải thích vài dạng dao động không tắt dần không phát quan sát đáp ứng độ vài đại lượng giám sát

Trong bi(i) điều khiển

ci(i) số quan sát chế

độ đao động mà quan tâm có mặt FACTS thiết bị ổn định hệ thống, tích chúng gọi hệ số phần dư cho phép đo lường hiệu ổn định dùng để lựa chọn tín hiệu điều khiển ổn định

2.4 Hệ số phần dư

Hình vẽ Hàm truyền đạt Theo lý thuyết hàm truyền đạt ta có

1

( ) (  ) 

G s C s I A B D (12) hàm truyền đạt hệ gốc H(s) hàm truyền đạt điều khiển K hệ số khuếch đại

Hàm truyền đạt đầu vào thứ k đầu thứ j G(s) viết dạng phần dư giá trị riêng hệ thống sau:

1 ( )

( )







 n

i

Ri G s

s λi (13)

trong đó: Ri phần dư liên kết với

chế độ thứ i Ri viết sau

   

1

( ) 

 

i i i i i i

R λ C Φ Φ B c λ b λ (14)

Phương trình tính tốn để so sánh giá trị đưa vào tín hiệu phản hồi Xác định vị trí R phần dư cực đại cho vị trí tốt điều khiển tín hiệu đầu vào

2.5 Lựa chọn so sánh đại lượng điều khiển

Lựa chọn tín hiệu điều khiển đầu vào phù hợp vấn đề tính tốn điều khiển bền vững Sau số đặc điểm tín hiệu đầu vào thích hợp:

 Tín hiệu đầu vào tốt đo lường chỗ Đây mong muốn để tránh phát sinh chi phí truyền liệu nâng cao tính an tồn;

 Các dạng dao động tắt dần phải quan sát tín hiệu đầu vào Chế độ phân tích tính quan sát được sử dụng để lựa chọn tín hiệu hiệu nhất;

 Lựa chọn tín hiệu đầu vào phải nhận hành động điều khiển xác xảy cố nghiêm trọng hệ thống

Công suất tác dụng/phản kháng đường dây truyền tải, giá trị dịng điện tải mơ đun điện áp nút thơng số xem tín hiệu điều khiển đầu vào mạch điều khiển TCSC Trong tín hiệu này, cơng suất tác dụng dòng điện tải thường chọn tài liệu tham khảo Tác giả tài liệu [9] khơng có nhiều khác biệt G(s)

K H(s

y(s) +

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)

SỐ tháng 10 - 2015

48

quan điểm cản dao động lựa chọn biến điều khiển công suất tác dụng hay dòng điện tải Tuy nhiên tài liệu [10, 11, 12] công suất tác dụng chọn tín hiệu điều khiển TCSC tạo chậm pha lớn, tín hiệu điều khiển dẫn đến vấn đề cản âm trường hợp cố với thay đổi lớn góc máy phát điện Do đó, báo này, cơng suất tác dụng dịng điện tải so sánh lựa chọn tín hiệu điều khiển cho TCSC

3 ỨNG DỤNG CHO ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 3.1 Trường hợp

Trong phần chương trình PSS/E dùng để phân tích dao động cơng suất HTĐ Việt Nam Các thông số HTĐ Việt Nam bao gồm thông số trào lưu công suất, thông số động

các MPĐ hệ thống kích từ, điều tốc tua bin dùng với HTĐ Việt Nam năm 2010 mùa khô, với 1064 biến trạng thái

PSS/E dùng để tuyến tính hố HTĐ xung quanh điểm làm việc, phương trình mơ tả HTĐ phương trình:

Bu Ax

x 

Trong x ma trận biến trạng thái,

A ma trận trạng thái Hệ thống gồm có 1064 biến trạng thái, trường hợp xét có giá trị riêng có phần thực nằm phía phải trục tung, gần với trục tung (các critical mode) HTĐ có xu hướng ổn định có cố xảy [13, 15]

Trong phần đây, liệt kê giá trị riêng với số trường hợp, chủ yếu tập trung vào biến trạng thái nguy kịch, đồng thời giá trị riêng HTĐ chương trình LYSAN PSS/E vẽ mặt phẳng phức

Bảng Các giá trị riêng chế độ

TT Phần thực Phần ảo Hệ cố cản Tần số dao động

393 0.22744 3.6965 -0.614E-01 0.58831

394 0.22744 -3.6965 -0.614E-01 0.58831

Hình Giá trị riêng biến trạng thái trong mùa khơ

Hình Mơ hình CRANI cho TCSC trong PSS/E (X điện kháng đường dây