4.5.1.1Khái niệm tắt nghẽn
Tắt nghẽn là tên gọi hiện tượng [1]:
Quá tải: Dòng điện trên một phần tử nào đó của lưới truyền tải như đường dây, máy biến áp vượt quá giới hạn nhiệt của chúng.
Giới hạn nhiệt là giới hạn nhiệt độ của dây dẫn và máy biến áp, với dòng
điện bao nhiêu thì nhiệt độ dây dẫn đạt giới hạn và phụ thuộc vào thời tiết, mưa gió, nhiệt đo môi trường. Như vậy, giới hạn dòng điện theo điều kiện nhiệt phụ thuộc môi trường. Máy biến áp có thể quá tải ở mức nhất định. Tuy nhiên, dòng điện qua máy biến áp chỉ chịu được giới hạn nhiệt nhất định.
Quá áp: Điện áp trên một số nút tải nào đó thấp hơn hoặc cao hơn giới hạn cho phép.
Giới hạn ổn định bị vượt qua.
Các giới hạn này được gọi chung là giới hạn an toàn và khả năng tải của lưới truyền tải điện.
Khi bị quá tải các thiết bị phân phối điện sẽ lão hóa nhanh hơn và sẽ giảm tuổi thọ, nếu quá tải cao có thể các thiết bị điện bị hỏng ngay gây mất điện và tổn hại kinh tế. Khi bị mất ổn định hay xảy ra nhất là mất ổn định điện áp, có thể gây mất điện diện rộng, gây thiệt hại kinh tế rất lớn. Ổn định điện áp xảy ra trong vài giây nếu dòng công suất chạm ngưỡng ổn định điện áp, nhưng để khôi phục lại hoạt động của lưới truyền tải điện có thể mất hàng giờ thậm chí hàng ngày nếu phải khởi động đen (Black Start) các máy phát điện.
Do đó, mất ổn định điện áp là hiện tượng hiếm nhưng được chú ý nhiều nhất khi thiết kế và vận hành HTĐ.
4.5.1.2Nguyên nhân gây ra tắt nghẽn
Có hai nguyên nhân dẫn đến tắt nghẽn là:
Khả năng tải của lưới truyền tải điện không cao, phụ tải tăng trưởng liên tục trong khi lưới truyền tải điện phát triển không liên tục khiến cho khả năng tải của lưới truyền tải điện thấp tương đối so với yêu cầu.
Các hợp đồng mua bán điện thực hiện theo mục tiêu kinh tế, kết quả là công suất cần tải trên một số đường dây nào đó vượt quá giới hạn khả năng tải của chúng.
Nguyên nhân thứ 2 không xảy ra trong HTĐđộc quyền.
4.5.2Giá biên nút
4.5.2.1Khái niệm giá biên nút
Giá biên nút (LMP) là một phương pháp xác định giá trong đó giá thanh toán thị
trường được tính toán cho một số vị trí trên lưới truyền tải được gọi là nút (node hay bus). Mỗi một nút đại diện cho một vị trí vật lý trên hệ thống truyền tải, tại đó năng lượng được bơm vào (injected) bởi nguồn phát (generator) hoặc rút ra (withdraw) bởi phụ tải [35].
Giá biên nút là chi phí khi cung cấp thêm điện năng cho một nút cụ thể dựa vào việc cân nhắc chi phí biên trong quá trình phát điện và các khía cạnh vật lý của hệ thống truyền tải, tức là giá biên nút là chi phí tăng thêm khi cung cấp thêm 1MW cho một
điểm cụ thể[1].
Giá tại mỗi nút đại diện cho giá trị về vị trí của năng lượng, trong đó bao gồm chi phí năng lượng và chi phí của việc cung cấp nó, tức là tổn thất và tắt nghẽn. Nó
được thể hiện như sau [36]:
LMP = Giá năng lượng hệ thống + Phí tắt nghẽn truyền tải + Phí tổn thất biên
Giá năng lượng hệ thống (Energy price).
Thể hiện phân bổ tối ưu bỏ qua tắt nghẽn.
Giá giống nhau cho mọi nút.
Được tính toán cho cả ngày trước và thời gian thực.
Phí tắt nghẽn truyền tải (Congestion Cost)
Thể hiện phí tắt nghẽn cho các ràng buộc bắt buộc.
- Tính bằng chi phí biên đơn vị kiểm soát các hệ số ràng buộc và độ nhạy trên mỗi nút.
Sẽ là không nếu không có ràng buộc (hệ thống không bị ràng buộc). - Sẽ khác nhau tùy theo vị trí nếu hệ thống bị ràng buộc.
- Phụ tải (Load) phải trả phí tắt nghẽn.
- Nguồn phát (Generation) được trả phí tắt nghẽn.
Được tính toán cho cả ngày trước và thời gian thực.
Phí tổn thất biên (Marginal Losses)
Thể hiện phí của tổn thất biên.
- Tổn thất truyền tải được định giá căn cứ vào hệ số tổn thất biên mà được tính tại một nút và thể hiện cho sự gia tăng tỷ lệ
tổn thất hệ thống gây ra bởi một sự gia tăng nhỏ trong việc bơm công suất vào (injection) hoặc thu công suất ra (withdrawal).
- Tính bằng cách sử dụng hệ số phạt.
Sẽ khác nhau tùy theo vị trí.
Sử dụng phí tổn thất.
- Phụ tải phải trả phí tổn thất. - Nguồn phát được trả phí tổn thất.
Được tính toán cho cả ngày trước và thời gian thực
4.5.2.2Xác định giá biên nút trong quản lý tắt nghẽn truyền tải [37]
Giá biên nút hay giá nút (nodal price) tại nút i có thểđược tính toán bằng cách sử
dụng công thức sau
λi = λRef – Li x λRef – Ʃj (μj x SFji) (4.20)
Trong đó:
λi = Giá nút tại nút i.
λRef = Giá nút tại nút tham chiếu (Reference bus).
Li = Hệ số biên tổn thất tại nút i = (∂Ploss/∂Pi), Pi là công suất bơm vào tại nút i và Ploss là tổn thất hệ thống.
μj = Giá mờ (Shadow price) của ràng buộc j.
SFji = Hệ số thay đổi (shift factor) cho tải thực tại nút i (nút tham chiếu (ref) là nút tham chiếu cho hệ số thay đổi này) trên ràng buộc j.
Từ công thức (4.20), ta biểu diễn như sau:
Khi đó:
λRef: Chi phí biên tại một nút tham chiếu
Giá nút tại nút tham chiếu
Giá nút tại mỗi nút i chia sẻ cùng thành phần này.
Giá nút này bao gồm thành phần tắt nghẽn ngầm (implicit).
- Đó là giá nút tại nút tham chiếu là chi phí cận biên nhất cung cấp tăng tăng tiếp theo tại nút tham chiếu có tính đến các khía cạnh vật lý (có nghĩa là các ràng buộc) của mạng truyền tải (có nghĩa là tắt nghẽn tiềm tàng)
- Không có thành phần tổn thất ngầm, thành phần tắt nghẽn
được tính toán liên quan đến nút tham chiếu.
Điều này thường không phải là giá nút nếu hệ thống không bị ràng buộc.
λLossi = - Li x λRef: Chi phí biên tổn thất từ nút tham chiếu tới nút i
+ Li x λRef: Chi phí biên tổn thất từ nút i tới nút tham chiếu
Li = (∂Ploss/∂Pi)
- Ví dụ: thu công suất ra 1MW tại nút tham chiếu và cân bằng việc này với một việc bơm vào tại nút i, ΔPi.
- Sẽ có vài thay đổi trong tổn thất, Δloss.
- Để giữ sự cân bằng điện năng, việc bơm vào tại nút i sẽ là: ΔPi = Δloss + 1MW. - (∂Ploss/∂Pi) = (ΔPloss/ΔPi) λi = λRef – Li x λRef – Ʃj (μj x SFji) Chi phí biên tại nút tham chiếu Chi phí biên tổn thất từ nút tham chiếu tới nút i Chi phí biên tắt nghẽn truyền tải từ nút tham chiếu tới nút i
λi = λRef + λLossi + λCongestioni
- Li có thể là dương (+) nếu có sự gia tăng trong tổn thất hoặc âm (-) nếu có sự giảm đi trong tổn thất (cho việc đếm dòng chảy mà dòng chảy bị giảm trên đường dây truyền tải)
λCongestioni = - Ʃj(μj x SFji): Chi phí biên tắt nghẽn truyền tải từ nút tham chiếu tới nút i.
+ Ʃj(μj x SFji): Chi phí biên của tắt nghẽn truyền tải từ nút i tới nút tham chiếu.
μj là giá mờ ($/MWh).
- Liên quan với ràng buộc bắt buộc.
- Ví dụ: một ràng buộc bắt buộc là khi dòng chảy trên giao diện
ở tại giới hạn của giao diện.
- Giá trị tương đương với sự thay đổi tăng trong hệ thống chi phí chia cho một sự thay đổi tăng trong giới hạn ràng buộc.
SFji là số lượng tăng của dòng công suất trên ràng buộc j khi một đơn vị công suất được bơm thêm vào tại nút i và thu công suất ra tại nút tham chiếu.
Ví dụ: Theo công thức (4.21) ta có:
40$/MWh = Chi phí biên tại nút i.
50$/MWh = Chi phí biên tại nút tham chiếu.
-1$/MWh = Chi phí biên tổn thất từ nút tham chiếu tới nút i.
+1$/MWh = Chi phí biên tổn thất từ nút i tới nút tham chiếu.
-1$/MWh = -Li x λRef = -Li x 50$/MWh.
Kéo theo Li = - (-1$/MWh/50$/MWh) = + 0.02
Li = 0.02 có nghĩa là tăng tổn thất cho việc truyền công suất từ nút i tới nút tham chiếu.
λi = λRef – Li x λRef – Ʃj (μj x SFji)
λi = λRef + λLossi + λCongestioni
40$/MWh = 50$/MWh - 1$/MWh - 9$/MWh
Đối với bất kỳ 1MWh được truyền từ nút i tới nút tham chiếu sẽ phải chịu trả phí 1$ cho việc cung cấp MWh cần thiết để bù đắp cho tổn thất.
-9$/MWh = Chi phí biên tắt nghẽn truyền tải từ nút tham chiếu tới nút i.
+9$/MWh = Chi phí biên tắt nghẽn truyền tải từ nút i tới nút tham chiếu.
4.6 Đề xuất phương pháp tính phí truyền tải cho TTĐ Việt Nam
Qua nghiên cứu, phân tích, so sánh các phương pháp tính phí truyền tải cũng như
tính toán áp dụng cụ thể cho các lưới điện đơn giản, có nhận xét như sau:
Tính phí truyền tải theo phương pháp “tem thư”:
- Đơn giản, dễ tính và dễ hiểu nên được áp dụng rộng rãi ở các TTĐ trên thế
giới.
- Không công bằng cho người sử dụng, các đơn vị tham gia thị trường phải bù chéo lẫn nhau và không tính đến vai trò của từng đơn vị trong vấn đề gây ra nghẽn mạch.
- Không khuyến khích người sử dụng và đầu tư hiệu quả vào lưới truyền tải
điện.
Tính phí truyền tải theo phương pháp tham gia biên: - Công bằng cho người sử dụng lưới truyền tải điện
- Khuyến khích sử dụng và đầu tư hiệu quả vào lưới truyền tải điện.
- Đã tính đến vai trò của từng đơn vị sử dụng trong vấn đề gây ra nghẽn mạch (dựa trên tính toán độ nhạy).
- Nếu có các đường dây dài tải điện liên vùng (chẳng hạng như Việt Nam) thì phương pháp này là phương pháp duy nhất để tính chi phí truyền tải cho các vùng.
Từ việc đánh giá phí truyền tải xác định theo các phương pháp ở trên, đồng thời TTĐ Việt nam trong cấp độ tiếp theo sẽ là TTĐ bán buôn cạnh tranh và mua-bán trên sàn là kiểu thị trường có độ cạnh tranh cao, có lợi hơn trong khuyến khích đầu tư vào ngành điện. Thì phí truyền tải cần thực hiện 2 mục đích:
Quản lý nghẽn mạch.
Đối với mục “Quản lý nghẽn mạch” chỉ có phương pháp duy nhất là theo giá biên nút (LMP) hoặc giá biên vùng (Zonal Marginal Price - ZMP).
Đối với mục đích “Thu phí hoàn vốn + vận hành” có thể lựa chọn giữa 2 phương pháp:
Phương pháp “tem thư”. Phương pháp này hiện đang được nhiều nước sử
dụng, chủ yếu là do TTĐ ở các nước phát triển sớm, trong khi các phương pháp tiên tiến hơn chưa ra đời.
Phương pháp tham gia biên. Phương pháp này tính đến sự tham gia cụ thể
của từng nhà máy điện, phụ tải trên từng phần tử của lưới điện như đường dây, máy biến áp, do đó công bằng hơn và có tính khuyến khích sử dụng hiệu quả lưới điện.
Vì vậy, phương pháp đề xuất tính phí truyền tải cho TTĐ Việt Nam là phương pháp tham gia biên (MP); còn tính toán phí nghẽn mạch sử dụng phương pháp giá biên nút (LMP), phương pháp này được nhiều nước trên thế giới sử dụng như: Argentina, New Zealand, Singapore, Mỹ (PIM, New York, California, New England, Texas) [38].
CHƯƠNG 5
MÔ PHỎNG BÀI TOÁN TỐI ƯU DÒNG CHẢY CÔNG SUẤT DỰA
TRÊN RÀNG BUỘC THỊ TRƯỜNG VÀ TẮT NGHẼN, TÍNH PHÍ
TƯƠNG ỨNG CHO HỆ THỐNG
5.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng và bài toán OPF 5.1.1Giới thiệu PowerWorld Simulator [39] 5.1.1Giới thiệu PowerWorld Simulator [39]
Phần mềm PowerWorld Simulator được phát triển vào những năm 1990 bởi Giáo sư
Thomas Overbye của trường Đại học Illinois, ông đã thấy rằng sự cần thiết của một công cụ tốt để mô phỏng HTĐ lớn một cách đầy đủ, cũng như phân tích các hiện tượng, yếu tố trong HTĐ. Và PowerWorld Corporation được thành lập năm 1996 bởi Giáo sư Thomas Overbye, 2 đồng nghiệp và một tiến sĩ nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng và điện của trường. Hiện nay Powerworld ngày càng hoàn thiện và
được ứng dụng rộng rãi trong các HTĐ trên toàn thế giới với khoảng 700 khách hàng trên 68 quốc gia. Powerworld cũng là công cụ nghiên cứu, học tập cho các nhà khoa học, sinh viên nghiên cứu về HTĐ.
PowerWorld Simulator 17 là phiên bản mới nhất có nhiều ứng dụng mới cập nhật. Giao diện thân thiện dễ sử dụng. Các vấn đề trong HTĐ như: OPF, PV, QV, tắt nghẽn, ổn định, v.v... được PowerWorld thiết kế chi tiết và đầy đủ cho người sử
dụng.
PowerWorld Simulator chạy trên hệđiều hành Microsoft Windows 2003/XP và mới hơn (cả máy chủ và máy khách 32-bit và 64-bit) mà không cần phần mềm khác hổ
trợ.
5.1.2Giới thiệu Primal LP của OPF trong PowerWorld Simulator.
PowerWorld Simulator là một phần mềm đóng gói mô phỏng HTĐ. Mô phỏng có khả năng phân tích kỹ thuật nối tiếp. Phần mềm này bao gồm các giải pháp dòng chảy công suất thiết thực. Mô phỏng sử dụng rộng rãi đồ họa và hình ảnh động làm tăng đáng kể sự hiểu biết của người sử dụng về các đặc tính, vấn đề của hệ thống và các khó khăn cũng như làm thế nào để khắc phục chúng. Thêm vào đó, tiện ích khác trên công cụ có sẵn như công cụ OPF. Mục đích của OPF là để giảm thiểu chi phí một hàm mục tiêu trong mô phỏng OPF, giải thuật OPF sử dụng là lập trình tuyến tính (LP) xác định giải pháp tối ưu bằng cách lặp đi lặp lại giữa việc giải quyết một
dòng chảy chuẩn (standard power flow) và sau đó giải quyết một chương trình tuyến tính để thay đổi các kiểm soát hệ thống để loại bỏ bất kỳ sự vi phạm giới hạn nào [40].
Các bước cơ bản trong giải thuật LP của OPF trong PowerWorld như sau [41]:
Bước 1: Giải quyết dòng chảy công suất.
Bước 2: Tuyến tính hóa HTĐ về giải pháp dòng chảy công suất hiện hành. Tất cả các ràng buộc và kiểm soát được tuyến tính hóa.
Bước 3: Giải quyết bài toán OPF ràng buộc tuyến tính sử dụng thuật toán Primal LP, tính toán thay đổi gia tăng trong các biến kiểm soát (control variables). Các biến cân bằng (slack variables) được giới thiệu để tạo vấn đề khả thi ban đầu. Đó là các biến cân bằng được sử dụng để đáp ứng các ràng buộc đẳng thức và bất
đẳng thức. Các biến cân bằng thường có chi phí cao để trong suốt quá trình lặp
đi lặp lại các biến cân bằng thay đổi để đáp ứng các ràng buộc. Sau đó LP xác
định giải pháp tối ưu, khả thi cho bài toán tuyến tính.
Các biến cân bằng được sử dụng để ép buộc (enforce) [42]: - Ràng buộc MW khu vực/siêu khu vực (area/super area). - Ràng buộc MVA đường dây/biến áp (line/transformer) - Ràng buộc MW giao diện (interface)
Bước 4: Cập nhật các biến kiểm soát và giải quyết lại dòng chảy công suất.
Bước 5: Nếu những thay đổi trong các biến kiểm soát dưới sự cho phép thì giải pháp đã đạt được; nếu không đi đến bước 2.
Bước 6: Kết thúc bằng cách giải quyết lại dòng công suất.
Giải thuật Primal LP OPF dùng trong PowerWorld được thể hiện qua bài toán mô phỏng ở phần tiếp theo.
5.2 Mô phỏng bài toán trên PowerWorld Simulator
5.2.1Bài toán OPF với giải thuật Primal LP không có ràng buộc và có ràng buộc buộc
Xét bài toán 3 nút của IEEE, giả sử các nguồn phát, phụ tải và đường dây có thông số như bảng 5.1 và 5.2, các ràng buộc về mặt vật lý khác và thị trường được bỏ qua, nút 1 là nút cân bằng (Slack bus).
Bảng 5.1: Thông số nguồn phát hệ thống 3 nút
Nguồn Điện áp (pu) Giá biên ($) Pmax (MW)
G1 1.0 10 400 G2 1.0 10 400 G3 1.0 10 400 Bảng 5.2: Thông sốđường dây hệ thống 3 nút
Đường dây R (pu) X (pu) B (pu) Pmax (MVA)
1-2 0.0 0.1 0.0 100.0 1-3 0.0 0.1 0.0 100.0 2-3 0.0 0.1 0.0 100.0 Sơđồ mô phỏng được thể hiện như hình 5.1.