Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 36
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
Sheet “XBus” chứa ma trận [Xbus] được lọc từ thành phần ảo của số phức từ ma trận [Zbus].
Sheet “VDis” chứa khoảng cách điện áp giữa các nút được tính dựa vào ma trận [Xbus].
Sheet “PDis” chứa khoảng cách điện pha giữa các nút được tính dựa vào ma trận [Xbus].
Sheet “FilDv” chứa khoảng cách điện áp giữa các nút nguồn và các nút tải được trích xuất từ sheet “VDis”.
Sheet “FilDp” chứa khoảng cách điện pha giữa các nút nguồn và các nút tải được trích xuất từ sheet “PDis”.
Sheet “Result” chứa kết quả tính tốn thứ tự sa thải tải và lượng tải cần sa thải. Trong các Sheets của cịn có các nút nhấn với các chức năng:
Nút “Load” ở Sheet “YBus” dùng để chọn các tập tin dữ liệu từ ổ cứng nhập vào các Sheet “YBus”, “Gen”, “Load”.
Trên các Sheet “Gen” và “Load” cũng có các phím để chọn tập tin dữ liệu tương ứng.
Nút “Calculate” ở Sheet”YBus” và Sheet “Result” dùng để tính tốn dữ liệu lấy từ các Sheet “YBus”, “Gen”, “Load”.
Nút “Sắp xếp ngang” và “Sắp xếp dọc” tại các Sheet “FilDv”, “FilDp” để sắp xếp các dữ liệu đã tính tốn tại các Sheet này theo thứ tự từ lớn tới nhỏ tương ứng với thứ tự của các Bus.
Nút “Main Form” ở Sheet “Result” để hiển thị một giao diện đơn giản thể hiện thứ tự tải, lượng tải cần sa thải tương ứng với bus máy phát được chọn.
Giao diện Form là cửa sổ với các thành phần chính được trình bày như hình 4.2 với các vùng như:
Vùng 1: Vùng nhập liệu với các nút “Input” để đọc cơ sở dữ liệu từ ổ cứng,
khung chọn “Generator” để chọn Bus chứa máy phát được giả định sẽ bị sự cố, khung nhập tổng công suất tải cần sa thải, khung nhập thời gian sẽ sa thải tải. Khi nhập các giá trị này, chương trình sẽ tính lượng cơng suất sa thải cho từng tải theo tổn công suất sa thải đã nhập. Thời gian sa thải sẽ được dùng để tạo ra tập tin dữ liệu cho chương trình PowerWorld Simulator.
Vùng 2: Chứa các nút chức năng để tính tốn khi đã nạp dữ liệu bằng các nút và
điền các thông số ở vùng 1. Nút “Calculate” để tính tốn sau đó hiển thị các kết quả ở vùng 3, và vùng 4. Nút “Create CSV” để xuất kết quả tính tốn thành tập tin dữ liệu cần thiết để mô phỏng. Nút “Hide Form” để ẩn cửa sổ giao diện đi và trở về thao tác trên cửa sổ của chương trình Excel.
Vùng 3: Hiển thị kết quả tính tốn. Vùng này liệt kê 10 tải các khoảng cách điện
pha gần nhất với máy phát ở khung chọn “Generator”. Các bus tải này được sắp xếp từ trên xuống dưới theo thứ từ khoảng các từ gần tới xa. Công suất tác dụng hiện tại của các tải này và khoảng cách của từng tải tới máy phát cũng được liệt kê. Cột các TextBox “Vùng” thể hiện việc phân vùng các tải theo khoảng cách tới máy phát. vùng số 0 là tải nằm cũng bus với máy phát, các vùng số còn lại (1, 2, 3, 4,…) được chia theo khoảng cách từ gần tới xa.
Vùng 4: Hiển thị các thông số chung cần biết như công suất nguồn bị mất.
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 38
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật 4.2 Các giải thuật áp dụng
4.2.1 Giải thuật tính khoảng cách
Dùng đầu vào là ma trận tổng dẫn [Ybus] của lưới điện, đầu ra là ma trận khoảng cách giữa các bus. Ta cũng lọc và sắp xếp các giá trị cần sử dụng trong phần này của chương trình. Giải thuật được trình bày như hình 4.3.
Khi đọc dữ liệu đầu vào là ma trận [Ybus] được xuất ra từ phần mềm PowerWorld Simulator chương trình sẽ tính ra khoảng cách và đưa vào các sheet “Vdis” và “Pdis”
4.2.2 Giải thuật phân vùng tải dựa theo khoảng cách đến nguồn
Khi nhìn vào biểu đồ thể hiện khoảng cách điện giữa tải và nguồn ta có thể phân tải thành các vùng dựa vào độ lớn và sai biệt giữa chúng. Để máy tính có thể hiểu và chia vùng tải ta cần tạo ra một giải thuật để xử lý và sắp xếp các tải này.
Trong giới hạn mô phỏng, tai chỉ xem xét sa thải trên mười tải gần nhất so với nguồn để phân vùng. Giải thuật phân vùng tải được đề xuất như sau:
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 40
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
4.2.3 Giải thuật chọn phân bố công suất tải sa thải theo vùng tải
Tùy thuộc vào độ lớn, độ quan trọng, giá trị kinh tế của tải, ta tính được lượng cơng suất có thể sa thải trên một tải mà khơng ảnh hưởng đến tính liên tục cung cấp điện của tải và tổn thất kinh tế khi mất tải là nhỏ nhất. Giá trị cực đại của cơng suất có thể sa thải này được dùng để tính tốn cho lưu đồ sau:
4.3 Thử nghiệm trên lưới điện IEEE 39 Bus 4.3.1 So sánh thời gian phục hồi tần số 4.3.1 So sánh thời gian phục hồi tần số
Áp dụng phương pháp tính khoảng cách điện pha trên lưới điện IEEE 39 Bus 10, ta tìm được khoảng cách điện pha giữa các nút trên lưới. Áp dụng giải thuật tính khoảng cách điện pha ta tìm được bảng khoảng điện pha từ máy phát đến các nút tải được sắp xếp từ gần đến xa như bảng 4.1.
Ta chọn 10 tải gần máy phát nhất và phân vùng chúng bằng giải thuật phân vùng tải. Vùng của phụ tải sau khi tính tốn thu được như bảng 4.2.
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 42
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
Bảng 4.1: Thứ tự khoảng cách điện pha giữa nguồn và tải trên lưới 39 bus
Bus máy phát Thứ tự
Bus 30 Bus 31 Bus 32 Bus 33 Bus 34 Bus 35 Bus 36 Bus 37 Bus 38 Bus 39 Tải Dv Tải Dv Tải Dv Tải Dv Tải Dv Tải Dv Tải Dv Tải Dv Tải Dv Tải Dv 1 25 0.026 31 0.000 4 0.032 20 0.028 20 0.018 23 0.023 23 0.027 25 0.023 29 0.016 39 0.000 2 3 0.030 7 0.023 7 0.034 16 0.031 16 0.048 21 0.025 21 0.044 3 0.041 28 0.029 8 0.041 3 18 0.037 8 0.023 8 0.034 24 0.036 24 0.054 16 0.031 24 0.047 26 0.045 26 0.046 7 0.043 4 4 0.041 4 0.026 3 0.042 15 0.039 15 0.056 24 0.033 16 0.047 18 0.046 27 0.059 4 0.045 5 26 0.043 3 0.036 15 0.043 21 0.042 21 0.060 15 0.040 15 0.055 27 0.048 25 0.069 3 0.045 6 27 0.043 15 0.040 12 0.044 18 0.044 18 0.061 18 0.045 18 0.061 16 0.052 18 0.073 25 0.049 7 16 0.043 18 0.041 16 0.046 3 0.048 3 0.066 3 0.050 3 0.066 4 0.052 3 0.074 18 0.051 8 15 0.046 16 0.041 31 0.046 23 0.051 23 0.068 4 0.053 27 0.069 15 0.055 16 0.076 16 0.055 9 24 0.049 12 0.045 18 0.046 4 0.052 4 0.069 27 0.053 4 0.069 24 0.057 15 0.081 15 0.055 10 8 0.050 24 0.047 24 0.051 27 0.052 27 0.069 25 0.060 25 0.077 8 0.060 24 0.082 31 0.057 11 7 0.050 25 0.048 25 0.055 25 0.059 25 0.076 26 0.061 26 0.077 7 0.061 4 0.084 27 0.060 12 21 0.055 27 0.051 27 0.057 26 0.059 26 0.077 20 0.062 20 0.078 21 0.063 21 0.088 24 0.061 13 39 0.059 21 0.053 21 0.057 8 0.061 8 0.078 8 0.063 8 0.079 31 0.071 8 0.093 26 0.062 14 31 0.061 26 0.055 26 0.062 7 0.061 7 0.079 7 0.063 7 0.079 39 0.071 7 0.094 21 0.066 15 23 0.063 39 0.057 23 0.065 31 0.072 31 0.089 31 0.072 31 0.088 23 0.072 23 0.096 12 0.069 16 12 0.070 23 0.061 39 0.066 12 0.077 12 0.095 12 0.079 12 0.095 28 0.076 31 0.102 23 0.075 17 20 0.073 20 0.072 20 0.076 39 0.084 39 0.101 39 0.086 39 0.102 29 0.078 20 0.106 20 0.084 18 28 0.074 28 0.086 28 0.093 28 0.090 28 0.108 28 0.092 28 0.108 12 0.080 39 0.109 28 0.094 19 29 0.076 29 0.088 29 0.095 29 0.092 29 0.110 29 0.094 29 0.110 20 0.082 12 0.111 29 0.096
Bảng 4.2: Bảng phân vùng phụ tải
Bus máy phát Thứ tự
Bus 30 Bus 31 Bus 32 Bus 33 Bus 34 Bus 35 Bus 36 Bus 37 Bus 38 Bus 39 Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng Tải Vùng 1 25 1 31 0 4 1 20 1 20 1 23 1 23 1 25 1 29 1 39 0 2 3 1 7 1 7 1 16 1 16 2 21 1 21 2 3 2 28 2 8 1 3 18 2 8 1 8 1 24 2 24 2 16 2 24 2 26 2 26 3 7 1 4 4 3 4 2 3 2 15 2 15 2 24 2 16 2 18 2 27 4 4 2 5 26 2 3 3 15 2 21 3 21 3 15 3 15 3 27 3 25 5 3 2 6 27 2 15 3 12 3 18 4 18 4 18 4 18 4 16 4 18 5 25 3 7 16 2 18 3 16 4 3 5 3 5 3 5 3 5 4 4 3 5 18 3 8 15 4 16 3 31 4 23 6 23 6 4 6 27 6 15 5 16 6 16 4 9 24 5 12 4 18 5 4 6 4 6 27 6 4 6 24 6 15 7 15 4 10 8 5 24 4 24 6 27 6 27 6 25 7 25 7 8 7 24 7 31 5
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 44
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
Để xem xét kết quả chia vùng của giải thuật, ta so sánh vùng tải được chia với biểu đồ của khoảng cách điện pha từ nguồn tới tải ở hai máy phát 30 và 36 như hình 23 và hình 24.
Hình 23: Biểu đồ khoảng cách điện và bảng phân vùng phụ tải tính từ máy phát 30 Bus tải Vùng Tải 23 1 Tải 21 2 Tải 24 2 Tải 16 2 Tải 15 3 Tải 18 4 Tải 3 5 Tải 27 6 Tải 4 6 Tải 25 7
Hình 24: Biểu đồ khoảng cách điện và bảng phân vùng phụ tải tính từ máy phát 36 cho 10 tải gần nhất
Từ vị trí các điểm trên đồ thị khoảng cách điện từ bus máy phát đang xét tới các tải, ta nhận thấy vùng phụ tải được chia là chấp nhận được. Từ đây, vùng phụ tải này sẽ được dùng để chọn tải sa thải khi mô phỏng ổn định tần số hệ thống điện khi có sự cố về máy phát. Trên lưới điện thử nghiệm 39 bus, giả định máy phát số 36 bị sự cố, tần số của lưới và góc pha của các máy phát cịn lại thể hiện như trên hình 25.
Hình 25: Sụp đổ tần số hệ thống khi sự cố tại máy phát bus 36
Theo kết quả mô phỏng trên hình 25, khi mất máy phát tại bus 36, lưới điện thử nghiệm mất ổn định nghiêm trọng và rã lưới sau 15 giây.
Bây giờ, phương án sa thải phụ tải ra được đưa vào để ổn định tần số lưới điện khi bị sự cố máy phát tại bus 36. Đối với phương án truyền thống, khi tần số xuống dưới dưới ngưỡng cho phép thì thiết bị bảo vệ sẽ cắt một lượng công suất của các tải nhất định được đặt trước. Một phương án sa thải truyền thống sẽ khơng chọn lọc vị trí tải cần sa thải và do đó hiệu quả sa thải không cao.
Để so sánh, phương án sa thải tải đề xuất theo khoảng cách điện sẽ dùng cùng giá trị thời gian cài đặt và lượng tải sa thải giống như phương pháp sa thải tải truyền thống. Vị trí tải sa thải và cơng suất tải sa thải trong phương pháp đề xuất được tính bằng cơng cụ tính sa thải tải theo khoảng cách. Kết quả so sánh sự khác nhau về tần
58.2 58.4 58.6 58.8 59 59.2 59.4 59.6 59.8 60 60.2 0 2 4 6 8 10 12 14 H z t(s)
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 46
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
số giữa phương pháp sa thải tải truyền thống và phương pháp sa thải tải đề xuất được vẽ trên cùng một đồ thị để dễ quan sát. Hình 26 thể hiện rõ tần số hệ thống, góc pha máy phát và điện áp tại các bus ngẫu nhiên triên lưới thay đổi như thế nào với từng phương pháp sa thải tải.
Chi tiết về phương án sa thải tải khi mất máy phát ở bus 36 được trình bày ở bảng 4.3.
Bảng 4.3: Phương án sa thải tải thử nghiệm khi sự cố máy phát bus 36 Bước
sa thải Thông số Sa thải truyền thống
Sa thải thông minh theo khoảng cách
Bước 1
Thời điểm* 5 giây (59,3Hz) 5 giây (59,3Hz) Tổng MW sa thải 302 (5%) 302 (5%) Các tải sa thải 3; 4; 7; 8; 12; 15; 16; 18; 20; 21; 23; 24; 25; 26; 27; 28; 29; 39 23 (vùng 1); 21; 24; 16 (vùng 2) Bước 2
Thời điểm* 9,6 giây (58,9Hz) 9.6 giây (58,9Hz) Tổng MW sa thải Thêm 609MW (+10%) (Tổng cộng 911MW) Thêm 609MW (+10%) (Tổng cộng 911MW) Các tải sa thải 3; 4; 7; 8; 12; 15; 16; 18; 20; 21; 23; 24; 25; 26; 27; 28; 29; 31; 39 23 (vùng 1); 21; 24; 16 (vùng 2) *Thời điểm trên chương trình mơ phỏng, muốn biết thời gian tính từ lúc sự cố đến khi sa thải tải thì ta phải trừ đi 1 giây.
Lượng công suất tải sa thải ở phương án sa thải tải thường sẽ được chia theo tỉ lệ độ lớn của tải. Lượng công suất sa thải của phương án sa thải tải đề xuất theo khoảng cách pha được cho ở bảng 4.4.
Bảng 4.4: Công suất sa thải tải theo phương án đề xuất
Vùng Tải P tải Hệ số δk P tải có thể sa thải P sa thải bước 1 P sa thải bước 2 1 23 247.5 0.85 210 210 0 2 21 274 0.8 219 28 183 24 308.6 247 31 206 16 329 263 33 220
Hình 26: So sánh tần số, góc pha và điện áp của hai phương pháp sa thải tải 58.5 58.5 59 59.5 60 60.5 0 50 100 150 200 H z t(s) Tần số hệ thống Truyền thống Đề xuất 25 30 35 40 45 50 55 0 50 100 150 200 D eg t(s)
Góc pha của máy phát bus 31
Truyền thống (gen 31) Đề xuất (gen 31) 1 1.02 1.04 1.06 1.08 0 50 100 150 200 V t(s)
Điện áp tại bus 15
Truyền thống Đề xuất
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 48
HVTH: Nguyễn Hồng Nhật Biểu đồ hình 26 cho thấy:
Khi mất máy phát tại bus 36 vào giây thứ 1, tần số hệ thống suy giảm nghiêm trọng và nhanh chóng với tốc độ khoảng 0,2 Hz/s (0,75Hz trong 5 giây).
Tại thời điểm 5 giây, ta khởi động sa thải tải lần 1. Tốc độ suy giảm tần số δf/δt giảm bớt. Vì vậy, khi tần số của lưới đạt 58,9 Hz tại 9,6 giây thì ta phải thực hiện sa thải lần 2.
Khi sa thải tải lần 2, phương án sa thải tải thông minh cho kết quả phục hồi và ổn định tần số sau sự cố nhanh hơn (đạt 60,21Hz sau 53 giây). Phương án sa thải truyền thống đạt giá trị tần số ổn định chậm hơn (đạt 60,01Hz sau 100 giây). Ta thấy rằng phương án sa thải tải thông minh cho thời gian phục hồi tần số nhanh gần gấp đôi phương án sa thải truyền thống trong thí nghiệm này.
Tần số hệ thống ở phương án sa thải thông minh ổn định ở giá trị cao hơn giá trị trước khi sự cố, điều này chứng tỏ độ chênh lệch giữa công suất cơ và công suất tác dụng, ∆ ( ) − ∆ ( ), của hệ thống sau sự cố lớn hơn so với trước khi sự cố. Việc tần số hệ thống sau khi sa thải ổn định ở giá trị trước khi sa thải thể hiện việc sa thải đã cắt dư tải.
Tần số hệ thống ở phương án sa thải thường ổn định ở giá trị tương đương với giá trị trước sa thải. Điều này thể hiện lượng tải cắt ở phương án sa thải thường là vừa đủ. Tuy nhiên, khi sa thải cùng một lượng công suất tải thì phương án sa thải tải thơng minh lại sa thải dư tải trong khi phương án sa thải tải thường lại chỉ sa thải đủ tải.