Đặc tính giá biên điểm nút (LMP)

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN GIÁ BIÊN ĐIỂM NÚT (LMP)

2.2. Giá biên điểm nút (LMP)

2.2.2. Đặc tính giá biên điểm nút (LMP)

Do tắc nghẽn truyền tải và tổn thất công suất trên các đường dây nên giá biên điểm nút ở các nút trong hệ thống có thể khác nhau. Giá biên điểm nút (hoặc gọi là giá nút) có thể phân tích thành 3 thành phần:

− Chi phí biên tại nút chọn làm gốc.

− Chi phí biên tổn thất do tổn thất công suất truyền tải

− Chi phí biên tắc nghẽn do ràng buộc về giới hạn truyền tải.

Vì vậy để tính giá biên điểm nút ta có thể tính toán từng thành phần giá biên như đã nói ở trên.

LMP tại một nút i có thể được tính theo biểu thức sau:

i = Re f - Li x Re f - j( j x SF )ij

     (2.1)

trong đó:

i = Giá biên tại điểm nút i (là nút cần tính LMP)

R ef = Giá biên tại điểm tham chiếu (điểm tham chiếu là điểm được chọn làm nút cân bằng trong hệ thống).

Li = Hệ số tổn thất biên điểm nút i = (δPloss/δPi), Pi là công suất bơm vào nút i và Ploss là tổn thất công suất hệ thống.

i = Giá vô hình do ảnh hưởng của ràng buộc j (chẳng hạn luồng công suất bị ràng buộc giới hạn bởi khả năng tải…) giá trị của nó bằng sự gia tăng chi phí hệ thống do giới hạn ràng buộc sinh ra.

SFij = Hệ số chuyển đổi với tải thực tại điểm nút i (điểm tham chiếu (ref) là điểm tham chiếu cho hệ số chuyển đổi này ) trên sự ràng buộc j. Là số lượng gia tăng của luồng công suất trên sự ràng buộc j khi bổ sung một đơn vị công suất đẩy vào nút i và được rút ra tại nút tham chiếu.

Các thành phần của giá nút:

Công thức (3.1) có thể viết lại là:

i = Ref + Lossi + Congestioni

    (2.2) Trong đó:

Lossi = - Li x R ef Chi phí biên của tổn thất từ điểm tham chiếu đến điểm nút i.

Congestioni = - j(  x SF )ij Chi phí biên của sự tắc nghẽn truyền tải (chi phí tắc nghẽn) từ điểm tham chiếu đến điểm nút i.

2.3. Phương pháp xác định giá biên điểm nút

LMP là giá biên nguồn cung khi gia tăng tiếp lượng năng lượng tại điểm nút xác định, nó bao gồm chi phí biên toàn hệ thống và những khía cạnh vật lý hệ thống truyền tải. LMP bao gồm:

LMP = chi phí biên tổng thể + chi phí tắc nghẽn + chi phí tổn thất.

Về mặt toán học, LMP tại bất kỳ nút nào trong hệ thống là biến số kép (giá ảo – shadow price) cho một ràng buộc tương đương tại nút đó (tổng công suất bơm vào và lấy ra bằng 0). Hoặc LMP là chi phí thêm vào để bù vào một lượng công suất là 1MW tại nút xác định.

Khi dùng LMP, những người mua và bán chịu chi phí sản lượng điện cấp đến những vị trí đặt trong hệ thống truyền tải. Sự khác nhau trong mỗi LMP là khi những đường dây bị ràng buộc. Nếu những ràng buộc theo luồng công suất không xét đến, hoặc giới hạn truyền tải trên đường dây giả sử là quá lớn, LMP sẽ là như nhau trên tất cả các nút, và điều này là chi phí biên điều phối cao nhất (đơn vị biên). Trong trường

hợp này, chi phí tắc nghẽn chưa tính đến. Tuy nhiên, nếu có sự ràng buộc trên bất kỳ đường dây nào, LMP sẽ thay đổi từ thanh cái này sang thanh cái khác hoặc từ vùng này sang vùng khác, nguyên nhân chính là do chi phí tắc nghẽn phát sinh.

2.3.1. Phương pháp xác định giá biên điểm nút trong bài toán không xét tổn thất Xét một ví dụ đơn giản là lưới liên kết hệ thống năng lượng giữa hai nút A và B như hình 2.8, trong đó thông số đường dây cho trong bảng 2.1 và không xét đến tổn thất nhằm xác định giá biên điểm nút (LMP)

Bảng 2.1. Thông số đường dây

Đường dây Từ Đến Điện kháng (p.u) Giới hạn (p.u)

1 1 2 0.25 2.0

2 1 3 0.25 2.0

3 2 3 0.25 2.0

Hình 2.9 Sơ đồ ba nút Hình 2.9 và 2.10 giải quyết cho hai trường hợp:

• Đường dây 1-3 không bị ràng buộc.

• Đường dây 1-3 bị ràng buộc.

Hình 2.10. Đường dây 1-3 không bị ràng buộc 3

2

G1 với 10$/MWh 0≤ Pg1≤ 6.0

L2 = 1.8.p.u.

G3 với 20 $/MWh 0≤ Pg3≤ 2.0

1

L3 = 3.2.p.u.

3

LMP1 = 10

2.733

Pg3 = 0.0

L3 = 3.2 LMP2 = 10

LMP3 = 10 Pg1 = 5.0

2.266 L2 = 1.8

0.466

1

2

Đối với trường hợp không bị ràng buộc, chỉ có máy phát G1 điều phối và được thiết lập giá 10$/MWh. Trong trường hợp này, LMP1 = LMP2 = LMP3 = 10$/MWh từ khi hệ thống không tắc nghẽn. Giá thiết lập cho máy phát G1 vận hành như giá thanh toán trong thị trường.

Hình 2.11. Đường dây 1-3 bị ràng buộc

Đối với trường hợp bị ràng buộc (Khi có xét đến giới hạn truyền tải đường dây), máy phát G3 cũng điều phối và theo đó máy phát G1 giảm xuống. Với kết quả này, giá trị LMP sẽ khác nhau tại mỗi nút. LMP2(15$/MWh) tính theo: nếu nhu cầu tại thanh cái 2 tăng 1 MW (0.01p.u), công suất (MW) sẽ không được cấp hoàn toàn từ máy phát G1 do sự ràng buộc trên đường dây 1-3 hạn chế công suất truyền từ thanh cái 1 và cung cấp cho thanh cái 2. Việc truyền công suất tăng thêm trên đường dây 1-2 có thể làm gia tăng trào lưu công suất trên dường dây 1-3. Thực vậy, thanh cái 2 phải nhận công suất còn lại từ máy phát G3 , và như vậy các máy phát (G1 và G3) trở thành những đơn vị biên đối với hệ thống vì các máy phát này diều khiển luồng công suất trên đường dây 1-3.

Hình 2.12. Trào lưu công suất do máy phát 1 phát ΔPg1

Luồng công suất từ máy phát G1 đến thanh cái 2 sẽ tách ra giữa các đường dây 1- 2 và 1-3 (sau đó 3-2). Trở kháng đường dây xem trong bảng (2.1) (tất cả những đường

LMP1 = 10 2

2.0

Pg3 = 1.1

L3 = 3.2 LMP2 = 15

Pg1 = 3.9

1.9 L2 = 1.8

0.10

1

LMP3 = 20

3

ΔPg1

(2/3)ΔPg1

(1/3)ΔPg1

(1/3)ΔPg1 ΔPg1

2

1 3

dây trở kháng đều như nhau), 2/3 luồng công suất tăng thêm sẽ truyền trên đường dây 1-2 và 1/3 luồng công suất còn lại trên đường dây 1-3 (sau đó truyền sang đường dây 3-2). Hình 2.12 lượng công suất tăng thêm Pg1 theo yêu cầu cần phát từ máy phát G1

truyền tải cấp cho nhu cầu tăng thêm tại thanh cái 2. Với cách lý luận tương tự, luồng công suất từ máy phát G3 đến thanh cái 2 sẽ tách ra giữa các đường dây 3-1 (sau đó truyền trên đường dây 1-2) và 3-2. Tương tự, 2/3 lượng công suất tăng thêm sẽ truyền trên đường dây 3-2 và 1/3 công suất sẽ truyền trên đường dây 3-1 (sau đó truyền sang đường dây 1-2). Ở hình 2.13 lượng công suất tăng thêm Pg3 theo yêu cầu cần phát từ máy phát G3 truyền tải cấp cho nhu cầu tăng thêm tại thanh cái 2.

Hình 2.13. Trào lưu công suất do máy phát 3 phát ΔPg3

Để giữ luồng công suất trên đường dây 1-3 theo giới hạn nhiệt, máy phát G3 phải phát để trung hoà luồng công suất truyền từ thanh cái 1 sang thanh cái 3. Nhằm cân bằng lượng công suất mỗi bên theo điều kiện ràng buộc và hạn chế quá tải trên đường dây 1-3, theo đó P1 =P3. Để tăng lượng công suất lên 1MW tại nút 2, cần P1 + P3

= 1MW.

Điều này lý giải nhằm giữ luồng công suất trên đường dây 1-3 nằm trong giới hạn ổn định và duy trì sự điều tiết kinh tế nhất, 50% tải tăng thêm tại nút 2 do máy phát G1 cấp và 50% do máy phát G3 phát. Kết quả giá tại tải nút 2 là

LMP2 = (0.5*10$/MWh) + (0.5*20$/MWh) = 15 $/MWh

Hệ số cung, hệ số dịch pha máy phát, chi phí ràng buộc và phân tích các thành phần LMP:

(1) Hệ số cung: hệ số cung nút i so với nút j, nút j là nút tham chiếu (DFij) bằng phần công suất phát thêm 1MW tại nút i cấp cho nút j. Ví dụ, DF1,2 = 0.8 nghĩa là công suất phát thêm 1MW truyền đến nút 1 là 0.8 MW cấp cho nút 2 với nút 2 là nút tham chiếu. Lưu ý DF2,1= 1/DF1,2 . Đối với DF1,2 =0.8, DF2,1 = 1/0.8 =1.25. DF lớn hơn 1 được hiểu việc giảm do tổn thất. Giá trị DF phụ thuộc vào việc chọn nút tham chiếu.

(2) Hệ số dịch pha máy phát: hệ số dịch máy phát được định nghĩa như tỷ số của sự thay đổi trên đường dây có luồng công suất với sự thay đổi của nút thiết lập ban

(1/3)ΔPg1

(1/3)ΔPg3

(2/3)ΔPg3

ΔPg3

ΔPg3

1

2

3

đầu. Hệ số GSFik là hệ số dịch pha máy phát đối với nút i trên đường dây k. Tất cả hệ số dịch pha tại nút tham chiếu bằng 0.

(3) Chi phí ràng buộc: Đối với hệ thống ở hình 2.14 mức giới hạn kết nối 2 thanh cái là 100MW. Đối với hệ thống này, điều tiết tối ưu như hình 3.14. Với phương thức điều tiết này, chi phí tổng 10*220+15*70= 3250$. Nếu cho phép đường dây ràng buộc là tăng thêm một lượng công suất 1MW, hệ số ràng buộc () bằng:

 = (mức giảm trong toàn bộ chi phí)/ (Mức thay đổi theo luồng công suất).

`

Hình 2.14. Sơ đồ hệ thống không bị ràng buộc

Hình 2.15. Sơ đồ hệ thống điều tiết tối ưu Trường hợp 1: Nút 2 là nút tham chiếu

Nếu tăng thêm công suất cho đường dây 101MW (tăng 1MW cho đường dây đầy tải 100MW), đối với máy phát G1 (máy phát có chi phí rẻ nhất) phát thêm 1MW và máy phát G2 (máy phát có chi phí đắt nhất) sẽ giảm 0.8 công suất phát. Từ (2.3) giá ràng buộc bằng:

 = ( )( ) ( )( )0.8 15 1.0 10

1.0 2

− = $/MWh

Khi đường dây tăng thêm 1MW, máy phát G1 phát 221MW và máy phát G2

phát 69.2MW. Chi phí tổng là 10*221+15*69.2=32248$ và sự chênh lệch giá này so với giá ban đầu là 2 (3250-3248).

Trường hợp 2: Nút 1 là nút tham chiếu

Nếu máy phát G2 giảm đi 1MW luồng công suất trên đường dây giảm 1MW, và đối với máy phát G1 tăng thêm 1/0.8=1.25 MW nhằm bù vào. Trong trường hợp này, chi phí ràng buộc tính theo (2.3) bằng:

~ ~

G1

D1=120MW D2=150MW

Pg 1

Pg 2

P1 P2

1 2

G2

10$/MWh

15$/MWh Giới hạn =100MW

Ptổn thất

G1

D1=120MW D2=150MW

Pg1=220 Pg2=70

100 80

1 2

G2

10$/MWh

15$/MWh Giới hạn =100MW

Ptổn thất=20

~ ~

 = ( )( ) (1.0 15 1.25 10)( )

1.0 2.5

− = $/MWh

Lưu ý trong trường hợp này, máy phát G1 phát 221,25 MW và máy phát G2 phát 69 MW. Chi phí tổng là 10*221.25+15*69=32247.5 $ và sự chênh lệch giá này so với giá ban đầu là 2.5 (3250-3247.5).

(4) Phân tích những thành phần LMP: Tại bất kỳ nút i, LMP bao gồm ba thành phần. Thành phần thứ nhất giá biên tại nút tham chiếu (LMPiref), thành phần thứ hai là thành phần tổn thất (LMPl sios ) và thành phần thứ ba là thành phần tắc nghẽn (LMPcongi ). Thực vậy, LMPi như sau:

LMPi = LMPrief + LMPl sios + LMPcongi (2.4) Để tính hai thành phần sau, sử dụng hệ số DF và GSF. Giá trị ba thành phần được dựa trên việc chọn nút tham chiếu.

Hai thành phần sau tính :

LMPl sios = (DFi - 1)LMPref (2.5) LMPcongi = - GSFikk (2.6) Trong đó:

DFi = hệ số cung của nút i với nút tham chiếu.

GSFik = hệ số dịch pha đối với nút i lên đường dây k.

 = Chi phí ràng buộc đường dây k

K = Thiết lập những đường dây bị ràng buộc.

Đối với trường hợp 1 (Nút 2 là nút tham chiếu) Nút 1:

LMPref= 15$/MWh

LMP1l sos = (DF1,2 - 1)LMPref= (0.8-1)(15)=-3$/MWh LMP1cong= - GSF111= -(1)(2)= -2$/MWh

LMP1 = LMP1ref + LMP1l sos + LMP1cong= 15-3-2= 10$/MWh Nút 2:

LMPref= 15$/MWh

LMP2l sos = (DF2,2 - 1)LMPref= (1-1)(15)=0$/MWh LMPcong2 = - GSF211= -(0)(2)= 0$/MWh

LMP2 = LMP2ref + LMP2l sos + LMPcong2 = 15+0+0= 15$/MWh

Đối với trường hợp 2 (Nút 1 là nút tham chiếu) Nút 1:

LMPref= 10$/MWh

LMP1l sos = (DF1,1 - 1)LMPref= (1-1)(10)=0$/MWh LMP1cong= - GSF111= -(0)(2.5)= 0$/MWh

LMP1 = LMP1ref + LMP1l sos + LMP1cong= 10+0+0= 10$/MWh Nút 2:

LMPref= 10$/MWh

LMP2l sos = (DF2,1 - 1)LMPref= (1.25-1)(10)=2.5$/MWh LMPcong2 = - GSF211= -(-1)(2.5)= 2.5$/MWh

LMP2 = LMP2ref + LMP2l sos + LMPcong2 = 10+2.5+2.5= 15$/MWh