Giới thiệu một số mô hình TTĐ cạnh tranh

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

1.2.Giới thiệu một số mô hình TTĐ cạnh tranh

Mục tiêu của TTĐ là cực tiểu chi phí của các máy phát (công thức 1.1) và cực đại lợi ích của các phụ tải (công thức 1.2). Nên mục tiêu tổng quát của bài toán tối ƣu công suất trong TTĐ là cực tiểu hàm mục tiêu [38], [39], [57], [59]:

1 1 ( ( ) ( )) G D n n Gi Gi Dj Dj i j Min C P B P      (1.3)

Tuy nhiên, nếu hệ thống có đủ độ dự trữ công suất phát (công suất yêu cầu của tất cả các phụ tải đƣợc đảm bảo) thì yếu tố hàm nhu cầu của các phụ tải sẽ không ảnh hƣởng đến hàm mục tiêu tối ƣu 1.3. Trong lập lịch huy động của mục 1.4.2.2 thì hàm nhu cầu có thể đƣợc thể hiện là một đƣờng thẳng vuông góc với trục MW và có giá trị bằng tổng công suất của phụ tải. Trong trƣờng hợp này hàm mục tiêu sẽ trở thành cực tiểu tổng chi phí cung cấp điện [57], [59], [60]:

2 1 1 ( ) ( ) g g n n Gi Gi i i Gi i Gi i i Min C P Min a b P c P        (1.4)

Với các điều kiện cân bằng công suất:

ij ij 1 cos( ) 0 n Gi Di i j i j j P P V V Y          (1.5)

ij ij 1 sin( ) 0 n Gi Di i j i j j Q Q V V Y          (1.6)

Các giới hạn về công suất:

(1.7) (1.8) (1.8) Giới hạn về điện áp: (1.9) Trong đó: ng: Số máy phát trong HTĐ n: Số nút trong HTĐ

ai, bi, ci: Các hệ số của đƣờng cong máy phát thứ i.

aj, bj, cj: Các hệ số của đƣờng cong phụ tải thứ j.

PGi(min), PGi(max): CSTD cực đại và cực tiểu của máy phát thứ i

QGi(min), QGi(max): CSPK cực đại và cực tiểu của máy phát thứ i

Vi(min), Vi(max): Điện áp giới hạn cực đại và cực tiểu tại nút thứ i.

Với các công thức trên có thể nhận thấy các chỉ tiêu về kỹ thuật (công suất và điện áp...) cũng nhƣ chỉ tiêu về kinh tế (bản chào giá) đóng vai trò quan trọng trong kết quả của bài toán phân bố tối ƣu công suất TTĐ. Việc giải bài toán tối ƣu với hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc ở trên có thể giải quyết bằng phƣơng pháp Lagrange. Tìm cực trị của hàm Lagrange với các ràng buộc và giới hạn bằng kỹ thuật lặp sử dụng phƣơng pháp Gradient.

1.4.4. Giá biên nút, doanh thu và phúc lợi trong thị trường điện

1.4.4.1. Giá biên nút

Sau khi phân bố tối ƣu công suất trong TTĐ, giá biên nút - LMP (Locational Marginal Price) tại mỗi nút là chi phí tổng của hệ thống tăng thêm 1MW vào nút đó. Giá biên nút - LMP tại mỗi nút tƣơng ứng với giá điện theo vị trí, bao gồm chi phí sản xuất điện, chi phí truyền tải và các ràng buộc. LMP tại nút i bao gồm 3 thành phần là giá biên tại nút tham chiếu, giá biên tổn thất từ nút tham chiếu đến nút i và

(max) (min) Gi Gi Gi P P P   (max) (min) Gi Gi Gi Q Q Q   (max) (min) i i i V V V  

giá biên nghẽn mạch từ nút tham chiếu đến nút i [39], [60]. Giá biên nút chính là cơ sở để thanh toán hợp đồng mua bán điện đối với TTĐ giao ngay:

os 1 ($ / ) n ji l s i i ref ref j j i i P P LMP h P P               (1.10)

Công thức có thể viết lại một cách tổng quát

os ($ / )

i i ref l si congestioni

LMP     h (1.11)

- Thành phần ref: Đây chính là giá biên nút - LMP tại nút tham chiếu.

- Thành phần lossi : Là giá biên tổn thất từ nút i đến nút tham chiếu. Trong đó

os l s i P P   là hệ số tổn thất biên điểm nút.

- Thành phần congestioni: Là giá biên nghẽn mạch từ nút tham chiếu đến nút i.

Tỉ số ji

i P

P



 gọi là hệ số chuyển đổi (shift factor), là tỉ số giữa độ thay đổi công suất

truyền tải trên đƣờng dây ji với lƣợng công suất Pi phát thêm vào nút i. Hay nói cách khác đó là công suất truyền tải trên nhánh ji khi phát thêm công suất 1MW ở nút i (nhánh ji là nhánh ràng buộc).

j đƣợc gọi là giá ảo hay chi phí ràng buộc (shadow prices) có đơn vị là ($/MWh). Đại lƣợng này liên quan đến các ràng buộc truyền tải trong hệ thống, và có giá trị bằng độ thay đổi chi phí của hệ thống chia cho độ thay đổi công suất trên đƣờng dây bị ràng buộc khả năng tải.

Bên cạnh đó, khái niệm về giá biên thị trƣờng - MCP cũng đã đƣợc trình bày ở mục 1.4.2.2. Giá biên thị trƣờng - MCP thƣờng đƣợc áp dụng đối với các TTĐ ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên, khi TTĐ đã phát triển ở các cấp độ cạnh tranh cao hơn thì giá biên nút - LMP sẽ cung cấp những thông tin liên quan giá theo vị trí và những thông tin hiệu quả liên quan đến điều độ hệ thống. Giá biên nút - LMP đƣa ra nhƣ một yếu tố hoàn chỉnh cho sự thành lập TTĐ [71], [72], [73]. Do đó, trong phạm vi của luận án, giá biên nút - LMP sẽ đƣợc nghiên cứu và áp dụng cho những tính toán và phân tích.

1.4.4.2. Phúc lợi thị trường

Doanh thu của các GenCo hoặc chi trả của các DisCo đƣợc xác định là tích giữa giá biên nút - LMP (hoặc giá biên thị trƣờng - MCP) và công suất phát hoặc tiêu thụ tại nút đó [38], [41], [42]:

( is ) ($ / )

GenCoi D Coj i i

R LMP P h (1.12)

Phúc lợi (lợi nhuận) là chỉ tiêu hiệu quả kinh tế phản ánh kết quả cuối cùng của hoạt động sản xuất kinh doanh, nó là tiền đề duy trì và tái sản xuất mở rộng của các đơn vị. Hình 1.12 mô tả tổng quát phúc lợi của các GenCo và DisCo trong một chu kỳ giao dịch khi thanh toán bằng giá biên thị trƣờng - MCP:

Hình 1.12: Phúc lợi của các GenCo và DisCo trong một chu kỳ giao dịch

Các chỉ tiêu của các đơn vị và thị trƣờng đƣợc xác định từ công thức 1.13 đến công thức 1.16 [38], [41], [42]. Trong đó, phúc lợi của các GenCo là phần chênh lệch giữa doanh thu và chi phí và ngƣợc lại đối với DisCo là phần chênh lệch giữa nhu cầu và chi trả:

($ / )

GenCoi RGenCoi CGenCoi h

   (1.13)

is is is ($ / )

D Coj BD Coj RD Coj h

   (1.14)

Đồng thời, phúc lợi của thị trƣờng là tổng phúc lợi của các GenCo và DisCo (tổng diện tích của vùng GenCo và vùng DisCo từ hình 1.12):

is 1 1 ($ / ) G D n n h

thitruong GenCoi D Coj

i j h      (1.15) Do đó, phúc lợi TTĐ hàng năm đƣợc xác định: 8760 nam h thitruong thitruong u      ($/năm) (1.16) $/MWh 90 D1 D1 G1 G2 70 D1 G1 MCP50 D2 G1 G2 D2 30 D2 G1 10 G1 G2 D1 D2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 MW

Phúc lợi của DisCo (bên mua)

Phúc lợi của GenCo (bên bán)

Chi phí của GenCo

GenCo



DisCo

Trong đó:

u: Là hệ số thời gian sử dụng trung bình của thiết bị FACTS khi quá trình

phân tích TTĐ có sự tham gia của thiết bị này.

Hình 1.12 đã mô tả tổng quát phúc lợi của các đơn vị trong một chu kỳ giao dịch tƣơng ứng với thanh toán bằng giá biên thị trƣờng - MCP. Tuy nhiên, trên thực tế tùy thuộc vào kịch bản chào giá, phƣơng thức thanh toán bằng giá biên nút - LMP, kịch bản vận hành HTĐ...có thể dẫn đến phúc lợi của các GenCo và DisCo không đạt giá trị kỳ vọng (phúc lợi mang giá trị âm). Điều này thƣờng xảy ra đối với các DisCo, khi hệ thống có đủ độ dự trữ công suất phát (công suất yêu cầu của tất cả các DisCo đƣợc đảm bảo) thì kỳ vọng chào giá đảm bảo tính cạnh tranh giữa các DisCo thƣờng chỉ mang tính tƣơng đối và chào giá nhu cầu của các DisCo thƣờng thấp hơn chi trả theo giá thực tế. Trong trƣờng hợp này, phúc lợi của các DisCo nếu mang giá trị âm thì thƣờng thể hiện sự “thất bại về kỳ vọng” hơn là thất bại về tính kinh tế.

Trong vận hành TTĐ thì chỉ tiêu kinh tế quan trọng cần đƣợc xem xét đó là tối đa hóa phúc lợi của cả bên bán và bên mua, hay nói cách khác là tối đa hóa phúc lợi của toàn thị trƣờng theo công thức 1.15.

1.5. Phân tích và điều khiển các chế độ của hệ thống điện trong hoạt động thị trƣờng điện

Trong TTĐ cạnh tranh, ngoài hoạt động mua bán điện năng (từ sản xuất đến tiêu thụ) còn phải có đơn vị vận hành HTĐ và TTĐ (SMO), một đặc trƣng khác biệt của TTĐ so với các loại thị trƣờng khác ngoài xã hội. Đặc điểm này liên quan đến tính tối ƣu chế độ vận hành HTĐ và các giới hạn trong hệ thống truyền tải phân phối, ổn định hệ thống ... Việc phân tích và điều khiển các chế độ HTĐ, điều tiết truyền tải sao cho hài hòa các nhóm lợi ích, minh bạch các tiêu chuẩn theo phúc lợi chung thị trƣờng, đảm bảo an toàn hệ thống là hết sức cần thiết. Ngoài ra, rất cần các tính toán và phân tích đầu tƣ lắp đặt các trang thiết bị mới, vận hành tối ƣu hệ thống truyền tải nhằm nâng cao hiệu quả chung cho hoạt động TTĐ. Liên quan đến các nội dung đó, những vấn đề đang rất đƣợc quan tâm đó là nâng cao giới hạn

truyền tải theo điều kiện ổn định, vấn đề điều khiển phân bố công suất trong HTĐ. Với những vấn đề này, các nghiên cứu cho thấy việc áp dụng đặt thêm các thiết bị bù có điều khiển nhanh (SVC, TCSC...) có hiệu quả đáng kể. Tuy nhiên, hiệu quả ứng dụng cụ thể vào mỗi HTĐ rất phụ thuộc vào các tính toán lựa chọn vị trí và dung lƣợng tối ƣu, cũng nhƣ phƣơng thức điều khiển các thiết bị này. Đây cũng là một trong những mục tiêu nghiên cứu của luận án.

1.5.1. Phân tích và điều khiển nghẽn mạch

1.5.1.1. Khái niệm về nghẽn mạch

Nghẽn mạch có những ý nghĩa khác nhau, nghẽn mạch đƣợc hiểu chung là trạng thái của lƣới điện truyền tải có một điều kiện hạn chế công suất truyền tải, trong khi nhiều mạch vẫn còn non tải (so với giới hạn phát nóng).

Nguyên nhân của hiện tƣợng nghẽn mạch là do mất cân đối giữa sự phát triển của phụ tải so với sự phát triển của lƣới điện. Các sự cố trên lƣới điện cũng có thể dẫn đến sự quá tải và nghẽn mạch trên một số đƣờng dây. Mặt khác, trong TTĐ thì mục tiêu vì lợi nhuận của các đơn vị cũng là một nguyên nhân gây nên sự mất cân bằng về mặt kỹ thuật dẫn đến sự nghẽn mạch trong HTĐ.

1.5.1.2. Các phương pháp phân tích nghẽn mạch

Các phƣơng pháp phân tích nghẽn mạch thƣờng đƣợc áp dụng là:

- Phân tích nghẽn mạch dựa trên hệ số mang tải của đƣờng dây - LUF (Line Utilization Factor).

- Phân tích nghẽn mạch dựa trên giá biên nút - LMP.

1.5.1.3. Các phương pháp điều khiển và quản lý nghẽn mạch

a. Sử dụng các biện pháp kinh tế

- Sử dụng giá biên nút - LMP: Nhƣ đã đề cập trong mục 1.4.4.1, giá biên nút - LMP tại mỗi nút tƣơng ứng với giá điện theo vị trí tại nút đó, thể hiện các chi phí sản xuất điện, chi phí truyền tải và các ràng buộc. Sử dụng giá LMP, ngƣời bán và ngƣời mua có thể hiểu đƣợc giá thực tế của việc cung cấp điện năng từ nguồn đến tải thông qua hệ thống truyền tải điện. Nếu không có sự nghẽn mạch xảy ra thì giá LMP tại tất cả các nút là hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, nếu có sự nghẽn mạch

thì giá LMP sẽ có sự thay đổi giữa các nút. Do đó, việc sử dụng giá LMP sẽ cho biết đƣợc vị trí của các khách hàng gây nghẽn mạch nên giá LMP là một phƣơng pháp tốt để xử lý nghẽn mạch.

- Sử dụng quyền truyền tải tài chính - FTR (Financial Transmission Right): Quyền truyền tải tài chính - FTR là một quyền giao dịch với sự bảo hiểm cho phí nghẽn mạch trên các đƣờng dây truyền tải bị hạn chế về khả năng tải. Hay nói cách khác FTR cung cấp cho các chủ sở hữu quyền trao đổi một lƣợng điện năng trên các đƣờng dây bị hạn chế về khả năng tải với một mức giá cố định.

Với việc tham gia các FTR, các chủ sở hữu FTR sẽ nhận đƣợc các khoản tín dụng khi có nghẽn mạch xảy ra. Khoản tín dụng này đƣợc xác định dựa trên lƣợng điện năng trong một đơn vị thời gian và giá LMP tại các nút có liên quan [60]:

TDFTRij  A LMPij( j-LMPi) (1.17)

Để đảm bảo sự công bằng cho tất cả các đơn vị tham gia vào TTĐ, cơ chế đấu giá FTR sẽ đƣợc điều hành bởi SMO. Mục đích chính của đấu giá FTR nhằm tối đa hóa lợi nhuận của các bên trong khi giới hạn truyền tải vẫn đƣợc đảm bảo. Từ công thức 1.17, nếu giá của nút j lớn hơn nút i thì chủ sở hữu FTR trên đƣờng dây ij sẽ nhận đƣợc tiền và ngƣợc lại họ sẽ trả tiền cho SMO. Do đó trong quá trình vận hành của mình các đơn vị tham gia TTĐ phải nghiên cứu tính toán các giao dịch sao cho không để xảy ra nghẽn mạch trên các đƣờng dây có tham gia FTR. Rõ ràng các thỏa thuận về FTR một mặt sẽ nhƣ các “rào chắn” và có xu hƣớng làm cho giá tại các nút trở nên cân bằng hơn mặt khác sẽ cải thiện nghẽn mạch trong HTĐ.

b. Sử dụng các biện pháp kỹ thuật

- Quy hoạch và xây dựng thêm các nguồn điện mới;

- Xây dựng các đƣờng dây mới, nâng cấp chống quá tải cho các đƣờng dây cũ;

- Điều độ lại phân bố công suất trong HTĐ đối với nguồn điện và phụ tải; - Bố trí thêm các thiết bị bù nhằm tăng khả năng điều khiển HTĐ, trong đó bao gồm các thiết bị bù cố định và thiết bị bù linh hoạt FACTS.

1.5.2. Phân tích và điều khiển ổn định điện áp

1.5.2.1. Khái niệm về ổn định điện áp

Ổn định điện áp gắn liền với khả năng giữ cân bằng công suất các nút tải, đặc biệt là cân bằng công suất phản kháng.

Mất ổn định điện áp xảy ra khi có sự sụt giảm mạnh điện áp một cách liên tục hoặc là không thể điều khiển đƣợc biên độ điện áp khi xuất hiện các kích động, nhƣ tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều kiện của hệ thống. Mất ổn định điện áp có thể xảy ra trong khoảng từ vài giây cho tới hàng chục phút. Có thể chia làm hai loại: ổn định quá độ (thời gian tới khoảng 10 giây) và ổn định lâu dài (thời gian tới vài phút). Những năm gần đây loại thứ hai gây chú ý hơn cả trong khi vận hành HTĐ, và đó là bài toán phân tích tĩnh.

1.5.2.2. Các phương pháp phân tích ổn định điện áp

Các phƣơng pháp phân tích ổn định tĩnh đƣợc biết đến nhƣ: phƣơng pháp phân tích trào lƣu công suất liên tục - CPF (Continuation Power Flow), phân tích độ nhạy V-Q, phân tích modal… Các phƣơng pháp này có những ƣu điểm là chúng cung cấp những thông tin liên quan đến ổn định điện áp một cách tổng thể toàn hệ thống và xác định rõ ràng những vùng gặp phải các vấn đề ổn định điện áp. Sau đây sẽ giới thiệu hai phƣơng pháp phân tích ổn định tĩnh thƣờng đƣợc áp dụng và cũng sẽ đƣợc trình bày trong luận án.

a. Phƣơng pháp phân tích trào lƣu công suất liên tục CPF [52], [65]

Với các phƣơng pháp trào lƣu công suất truyền thống khó có thể áp dụng để phân tích ổn định điện áp do ma trận Jacobi của hệ thống sẽ khó xác định khi tải đến các trị số cực đại (điểm giới hạn ổn định điện áp). Điều này dẫn đến các thuật toán trào lƣu công suất truyền thống sẽ có khuynh hƣớng không hội tụ khi hệ thống dần đến điểm mất ổn định điện áp, gây ra việc không thể giải bài toán để xây dựng đƣờng cong P-V. Phƣơng pháp CPF vƣợt qua vấn đề này bằng cách xây dựng lại các phƣơng trình trào lƣu sao cho nó vẫn còn giữ tất cả điều kiện tốt để hội tụ ở tất cả điều kiện tải có thể đặc biệt là ở các điểm giới hạn.

Hình 1.13: Phương pháp phân tích trào lưu công suất liên tục