Luận án tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu phương pháp xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống điện phức tạp, ứng dụng vào hệ thống điện Việt Nam

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:167

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án cũng đã đề xuất được hệ thống chỉ số mới giúp tăng cường ổn định HTĐ trong quá trình vận hành. Bộ chỉ số bao gồm: là ma trận chỉ số giới hạn ổn định công suất nút; ma trận dự trữ ổn định công suất nút; ma trận giới hạn công suất truyền tải song phương; và ma trận độ dự trữ ổn định truyền tải song phương.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu phương pháp xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống điện phức tạp, ứng dụng vào hệ thống điện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Mạnh Cường NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP, ỨNG DỤNG VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Mạnh Cường NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP, ỨNG DỤNG VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Lã Văn Út 2. TS. Trương Ngọc Minh Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc và kết quả nghiên cứu của các nhà nghiên cứu đi trước đã được tiếp thu một cách chân thực, cẩn trọng, có trích nguồn dẫn cụ thể trong luận án. Hà Nội, ngày 12 tháng 04 năm 2018 XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GV. HƯỚNG DẪN 1 GV. HƯỚNG DẪN 2 TÁC GIẢ LUẬN ÁN GS.TS. Lã Văn Út TS. Trương Ngọc Minh Nguyễn Mạnh Cường i
LỜI CẢM ƠN Thời gian làm Nghiên cứu sinh tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) đã làm thay đổi sâu sắc thế giới quan của tôi. Những bài học mới, những khám phá khoa học của luận án chỉ là một phần rất nhỏ những gì tôi học được trong 6 năm nghiên cứu. Điều lớn hơn tôi lĩnh hội được từ tập thể hướng dẫn, đó là tư duy khoa học và sự khiêm tốn. Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến GS. TS. Lã Văn Út và TS. Trương Ngọc Minh đã luôn động viên tôi trong những thời điểm khó khăn và giúp đỡ không giới hạn để tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, cán bộ Viện Điện và Viện Sau đại học đã luôn giúp đỡ, tạo mọi điều kiện, đồng thời động viên tinh thần, giúp tôi từng bước hoàn thành các học phần bổ sung, học phần Tiến sĩ, các chuyên đề Tiến sĩ. Tôi không thể hoàn thành luận án nếu thiếu sự giúp đỡ của cơ quan nơi tôi công tác. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo và cán bộ Viện Năng lượng – Bộ Công Thương, Lãnh đạo và đồng nghiệp Phòng Phát triển Hệ thống điện (P8) đã xắp xếp - bố trí công việc và thời gian thuận lợi để tôi được nghiên cứu học tập tại ĐHBKHN. Cuối cùng, luận án này tôi muốn dành cho gia đình. Cảm ơn người bạn đời, Ngô Phương Anh, đã luôn thông cảm, chia sẻ, động viên; hai con gái là nguồn cảm hứng của tôi; cảm ơn Bố Mẹ với sự ủng hộ và hy sinh vô bờ bến để tôi hoàn thành chặng đường dài, hướng đến chân trời tri thức mới. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... i LỜI CẢM ƠN............................................................................................... ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................... x KÝ HIỆU HÌNH VẼ.................................................................................... xii MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH ....................................................................................... 4 1.1 Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm về ổn định ..................... 4 1.2 Ổn định HTĐ có sơ đồ đơn giản, khái niệm về chế độ giới hạn ..... 5 1.2.1 Ổn định góc lệch ..................................................................... 5 1.2.2 Ổn định điện áp ...................................................................... 7 1.2.3 Giới hạn ổn định điện áp - các kịch bản biến thiên thông số .. 9 1.3 Đặc điểm ổn định HTĐ có sơ đồ phức tạp................................... 13 1.3.1 Trạng thái hệ thống xác lập bởi một tập lớn các thông số biến thiên .............................................................................................. 13 1.3.2 Ảnh hưởng tác động của các phương tiện tự động điều chỉnh ... .............................................................................................. 14 1.4 Phân tích ổn định HTĐ theo lý thuyết ổn định Lyapunov ............ 14 1.4.1 Lý thuyết ổn định theo Lyapunov .......................................... 14 1.4.2 Một số tiêu chuẩn ứng dụng đánh giá ổn định theo phương pháp xấp xỉ bậc nhất .......................................................................... 18 1.4.3 Các tiêu chuẩn thực dụng ..................................................... 21 1.4.4 Nhận xét, thảo luận về các tiêu chuẩn đánh giá ổn định ....... 23 1.5 Các phương pháp xác định giới hạn ổn định HTĐ phức tạp ........ 23 1.5.1 Đặc điểm và các khó khăn của bài toán tìm giới hạn ổn định... .............................................................................................. 23 1.5.2 Tổng quan về các phương pháp đánh giá giới hạn ổn định HTĐ .............................................................................................. 25 1.6 Các biện pháp nâng cao ổn định cho HTĐ và vai trò của bài toán xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định .................................. 37 1.6.1 Nâng cao giới hạn ổn định bằng các giải pháp cấu trúc ........ 38 1.6.2 Nâng cao ổn định hệ thống bằng các biện pháp vận hành .... 38 1.7 Định hướng phương pháp nghiên cứu của luận án và giới hạn phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 39 1.8 Kết luận chương 1........................................................................ 39 2 PHƯƠNG PHÁP NGOẠI SUY TIỆM CẬN TÍNH TOÁN NHANH GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TRÊN CƠ SỞ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CHẾ ĐỘ XÁC LẬP 41 2.1 Đặt vấn đề ................................................................................... 41 iii
2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp ngoại suy tiệm cận xác định giới hạn ổn định .............................................................................................. 42 2.2.1 Điều kiện HTĐ ở trạng thái giới hạn ổn định ........................ 42 2.2.2 Một số nội dung hình học giải tích không gian...................... 43 2.2.3 Áp dụng lý thuyết hình học giải tích không gian cho hệ phương trình trạng thái HTĐ .......................................................................... 47 2.2.4 Xây dựng biểu thức xấp xỉ xác định giới hạn công suất nút HTĐ theo điều kiện ổn định ............................................................... 50 2.2.5 Xây dựng chương trình tính toán giới hạn ổn định HTĐ theo phương pháp ngoại suy tiệm cận ........................................................ 54 2.3 Nghiên cứu diễn biến quá trình tiến đến mất ổn định của HTĐ đơn giản thông qua tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ và phương pháp NSTC .. .................................................................................................... 58 2.3.1 Hệ phương trình CĐXL và các biểu thức tính toán cơ bản .... 59 2.3.2 Giải trực tiếp hệ phương trình và xác định giới hạn ổn định theo phương pháp NSTC .................................................................... 61 2.3.3 Xác định giới hạn công suất nút theo điều kiện ổn định theo phương pháp tính toán liên tiếp và đối chiếu với kết quả của phương pháp NSTC ......................................................................................... 62 2.4 Ví dụ áp dụng phương pháp ngoại suy tiệm cận với sơ đồ HTĐ phức tạp .................................................................................................... 69 2.4.1 Sơ đồ Ward & Hale 6-Bus .................................................... 70 2.4.2 Tính toán áp dụng cho hệ thống điện IEEE 14-Bus .............. 74 2.4.3 Tính toán lưới điện IEEE 39-Bus .......................................... 77 2.4.4 Tính toán áp dụng cho HTĐ Miền Tây Nam bộ..................... 79 2.5 Kết luận chương 2........................................................................ 84 3 NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN .................................................................. 85 3.1 Tổng quan về thị trường điện và vai trò của việc tính toán giới hạn truyền tải, giới hạn ổn định đối với vận hành thị trường điện ................... 85 3.1.1 Sự hình thành và phát triển của thị trường điện ................... 85 3.1.2 Một số mô hình thị trường điện và định hướng mô hình thị trường điện Việt Nam ......................................................................... 87 3.1.3 Cấu trúc thị trường điện ....................................................... 88 3.1.4 Các loại hàng hóa dịch vụ giao dịch trong thị trường điện .... 91 3.1.5 Mô hình và lộ trình dự kiến phát triển của thị trường điện Việt Nam .............................................................................................. 92 3.1.6 Bài toán đánh giá giới hạn ổn định HTĐ trong ISO của TTĐ 94 3.2 Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định HTĐ ......................... 95 3.3 Mô hình tính toán giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định trong hoạt động của thị trường điện ................................................................... 99 3.4 Tính toán chỉ tiêu ổn định HTĐ phục vụ hoạt động TTĐ dựa trên phương pháp ngoại suy tiệm cận ............................................................ 101 iv
3.5 Nghiên cứu hiệu quả phương pháp qua ví dụ các sơ đồ khác nhau . .................................................................................................. 104 3.5.1 Sơ đồ Ward-Hale 6 bus ....................................................... 104 3.5.2 Sơ đồ IEEE 14 bus ............................................................. 105 3.5.3 Sơ đồ IEEE 39 bus ............................................................. 107 3.6 Ứng dụng tính toán cho sơ đồ HTĐ Việt Nam ............................ 110 3.6.1 Hệ thống điện truyền tải 500-220-110 kV Miền Tây 138 bus ... ............................................................................................ 110 3.6.2 Hệ thống điện truyền tải Việt Nam 2020 ............................. 117 3.7 Kết luận chương 3 ...................................................................... 120 4 NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NSTC TRONG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HTĐ ............................................... 122 4.1 Giám sát và điều khiển diện rộng HTĐ và các nội dung liên quan đến ổn định hệ thống .............................................................................. 122 4.2 Mô phỏng ứng dụng phương pháp cảnh báo ổn định theo các chỉ dấu nguy hiểm mất ổn định điện áp các nút ........................................... 123 4.2.1 Phân tích sự thay đổi của các chỉ số cảnh báo ổn định với hệ thống điện Ward & Hale 6-Bus ......................................................... 124 4.2.2 Mô phỏng quá trình theo dõi và cảnh báo ổn định qua hệ số dự trữ công suất nút tính theo phương pháp NSTC ......................... 128 4.3 Kết luận chương 4...................................................................... 130 5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................................. 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 134 Kết luận về những đóng góp khoa học của luận án ............................. 134 Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo ............................................ 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN............... 141 PHỤ LỤC .................................................................................................... 1 Phụ lục 1 ................................................................................................. 1 Phụ lục 2 ................................................................................................. 2 Phụ lục 3 ................................................................................................. 3 Phụ lục 4 ................................................................................................. 4 v
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A0 : Trung tâm điều độ Hệ thống điện quốc gia AC : Alternating Current – dòng điện xoay chiều AGC : Automatic Generation Control AI : Artificial Intelligence BOT : Build - Operate - Transfer CĐQĐ : Chế độ quá độ CĐXL : Chế độ xác lập CS : Công suất CSPK : Công suất phản kháng CSTD : Công suất tác dụng DC : Direct Current – dòng điện một chiều ĐCTĐ : Điều chỉnh tự động ĐDSCA : Đường dây siêu cao áp ĐZ : Đường dây EVN : Electricity of Vietnam ERAV : Cục Điều tiết Điện lực FACTS : Flexible Alternating Current Transmission System GHCSN : Giới hạn công suất nút GHÔĐ : Giới hạn ổn định GENCO : Công ty phát điện HT : Hệ thống HTĐ : Hệ thống điện HVDC : High Voltage Direct Current IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers ISO : Independence System Operator LOLP : Loss of Load Probability MBA : Máy biến áp MCP : Market Clearing Price MFĐ : Máy phát điện MO : Market Operator NĐ : Nhiệt điện NMĐ : Nhà máy điện NMNĐ : Nhà máy nhiệt điện NMTĐ : Nhà máy thủy điện vi
NPT : National Power Transmission Cooperation NSTC : Ngoại suy tiệm cận ÔĐT : Ổn định tĩnh OECD : Organization for Economic Cooperation and Development PC : Power Company - Công ty điện lực PMU : Phasor Measurements Unit PTĐT : Phương trình đặc trưng PTVP : Phương trình vi phân PX : Power Exchange QTQĐ : Quá trình quá độ RETAILCO : Công ty bán lẻ điện SĐĐ : Sức điện động SO : System Operator SVC : Static Var Copenstator SVD : Singular Value Decomposition TBA : Trạm biến áp TBK : Tua bin khí TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor TĐ : Thủy điện TRANSCO : Công ty truyền tải điện TTĐ : Thị trường điện VD : Ví dụ VNL : Viện Năng lượng VOLL : Value of Loss Load WAMC : Hệ thống giám sát và điều khiển diện rộng vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tổng quan nội dung các công trình nghiên cứu đánh giá giới hạn ổn định ......................................................................................................... 36 Bảng 2.1 Biến thiên giá trị định thức Jacobi và điện áp khi tăng CSPK nút 3 ................................................................................................................... 62 Bảng 2.2 So sánh sai số ở mỗi kịch bản tính toán giới hạn ổn định theo phương pháp NSTC so với phương pháp trực tiếp ....................................... 63 Bảng 2.3 Diễn biến thông số chế độ HTĐ và định thức Jacobi khi tăng dần CSTD phụ tải P3 ........................................................................................... 66 Bảng 2.4 Thông số chế độ khi tăng dần công suất phát P2 ....................... 67 Bảng 2.5 Kết quả tính toán thông số chế độ ban đầu HTĐ Ward & Hale . 71 Bảng 2.6 Các kết quả tính toán sơ đồ Ward & Hale 6-Bus (Sbase=100MVA) ..................................................................................................................... 72 Bảng 2.7 Kế quả tính toán giới hạn ổn định sơ đồ Ward&Hale khi công suất tải tăng 20% .......................................................................................... 73 Bảng 2.8 So sánh kết quả tính GHÔĐ theo phương pháp lặp (CONUS) và NSTC ............................................................................................................ 73 Bảng 2.9 Thông số trạng thái chế độ xác lập HTĐ IEEE 14 Bus .............. 74 Bảng 2.10 Kết quả tính toán giới hạn công suất nút case IEEE 14-Bus ... 75 Bảng 2.11 So sánh các chỉ số giới hạn ổn định trước và sau khi đặt bù .. 76 Bảng 2.12 Công suất giới hạn tại một số nút của hệ thống IEEE 39 tính theo phương pháp NSTC và tính lặp ............................................................ 78 Bảng 2.13 Kết quả tính toán giới hạn CSTD nút tải theo 2 phương pháp. 82 Bảng 2.14 Kết quả tính toán giới hạn CSPK nút tải theo 2 phương pháp 82 Bảng 3.1 Ma trận dự trữ công suất truyền tải theo tiêu chí ổn định tĩnh 101 Bảng 3.2 Giới hạn công suất nút Pghn– sơ đồ 6 Bus (đơn vị MW) .......... 104 Bảng 3.3 GHSPTT Pspt – sơ đồ 6 Bus (đơn vị MW) ............................... 105 Bảng 3.4 Ma trận dự trữ ổn định – sơ đồ 6 Bus (đơn vị: %) ................... 105 Bảng 3.5 Giới hạn CS nút và giới hạn CS truyền tải song phương tăng thêm – sơ đồ IEEE 14 Bus (đơn vị MW) .............................................................. 106 Bảng 3.6 Ma trận Hệ số dự trữ truyền tải theo tiêu chí ổn định ............. 107 Bảng 3.7 Ma trận Pghn của HTĐ IEEE 39 Bus ...................................... 108 Bảng 3.8 Ma trận Pspt của HTĐ IEEE 39 Bus ....................................... 108 Bảng 3.9 Ma trận dự trữ truyền tải song phương của HTĐ IEEE 39 Bus ................................................................................................................... 109 Bảng 3.10 Ma trận Pghn của HTĐ Miền Tây .......................................... 111 Bảng 3.11 Ma trận Pspt của HTĐ Miền Tây ........................................... 112 Bảng 3.12 Ma trận hệ số dự trữ truyền tải đối với các hợp đồng song phương ....................................................................................................... 114 viii
Bảng 3.13 Ma trận Pghn của HTĐ Việt Nam năm 2020 ......................... 117 Bảng 3.14 Ma trận Pspt của HTĐ Việt Nam năm 2020 .......................... 118 Bảng 3.15 Ma trận dự trữ ổn định của các phương thức truyền tải song phương HTĐ Việt Nam năm 2020 .............................................................. 119 Bảng 4.1 Thay đổi độ xa công suất (MW,MVAr) các nút theo hệ số tải ... 125 Bảng 4.2 Hệ số dự trữ ổn định các nút (%) ............................................ 125 Bảng 4.3 Hệ số σ (Singular Value) theo khai triển SVD .......................... 125 Bảng 4.4 Góc công suất α (độ) tính theo [32] ......................................... 126 Bảng 4.5 Biến thiên phụ tải ngày (trị số tương đối) ................................ 128 Bảng 4.6 Hệ số dự trữ công suất các nút ................................................ 128 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản gồm một máy phát điện ................ 6 Hình 1.2 Sơ đồ HTĐ đơn giản gồm một phụ tải nối với hệ thống CS vô cùng lớn ......................................................................................................... 8 Hình 1.3 Miền giới hạn công suất truyền tải trên đường dây cấp điện phụ tải ................................................................................................................. 10 Hình 1.4 Đặc tính công suất theo điện áp tại nút tải ................................ 10 Hình 1.5 Phân loại ổn định hệ thống điện ................................................ 12 Hình 1.6 Minh họa tiêu chuẩn ổn định theo Lyapunov ............................ 15 Hình 1.7 Biểu diễn hình học tiêu chuẩn tần số Mikhailov ........................ 19 Hình 1.8 Các dạng số gia góc của véctơ D(j) trong mặt phẳng phức ....... 20 Hình 1.9 Chuyển động của nghiệm PTĐT trên mặt phẳng phức .............. 24 Hình 1.10 Phương pháp chia đôi liên tiếp bước tính cuối cùng tìm giới hạn ổn định ......................................................................................................... 26 Hình 1.11 Thuật toán tương đương hóa HTĐ thành hình tia để tìm giới hạn ổn định .................................................................................................. 27 Hình 1.12 Mô tả quỹ đạo nghiệm nguy hiểm để tìm giới hạn ổn định ...... 29 Hình 1.13 Góc công suất ở các trạng thái khác nhau ............................... 34 Hình 1.14 Cấu trúc mạng Noron nhân tạo ... Error! Bookmark not defined. Hình 2.1 Tọa độ điểm a trong không gian ................................................ 43 Hình 2.2 Đường cong trong không gian ................................................... 43 Hình 2.3 Mặt cong đi qua điểm a trong không gian.................................. 44 Hình 2.4 Giao điểm giữa mặt cong và đường cong trong không gian ........ 44 Hình 2.5 Vị trí tương đối giữa mặt cong và đường cong không gian ......... 45 Hình 2.6 Điểm cắt M ở vị trí ban đầu (a) và ở giới hạn ổn định (b) .......... 51 Hình 2.7 Biến thiên trị số hàm fi khi điểm cắt M dịch chuyển ................. 51 Hình 2.8 Sơ đồ khối chương trình tính toán ............................................ 56 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý HTĐ đơn giản 3 nút ......................................... 58 Hình 2.10 Diễn biến định thức ma trận Jacobi khi CSPK Q3 tăng đến giới hạn ............................................................................................................... 64 Hình 2.11 Diễn biến các góc 2, 3 và 0 khi Q3 thay đổi .......................... 64 Hình 2.12 Diễn biến các góc công suất nút 1, 2 và 3 khi CSPK nút 3 thay đổi ........................................................................................................ 65 Hình 2.13 Công suất giới hạn Pm3 và |J| tương ứng với sự thay đổi của CSTD tải P3 .................................................................................................. 66 Hình 2.14 Diễn biến các góc công suất i khi thay đổi CSTD tải P3 ......... 67 Hình 2.15 Diễn biến giới hạn CSTD Pm2 tương ứng với các giá trị của P2.. 68 Hình 2.16 Sự thay đổi các góc công suất i khi công suất nguồn P2 tăng dần ............................................................................................................... 69 x
Hình 2.17 Sơ đồ Ward & Hale 6-Bus........................................................ 71 Hình 2.18 Sơ đồ HTĐ IEEE 14-Bus ........................................................ 74 Hình 2.19 Sơ đồ Hệ thống điện IEEE 39-Bus .......................................... 77 Hình 2.20 Bản đồ địa lý HTĐ Miền Tây Nam Bộ...................................... 80 Hình 2.21 Kết quả mô phỏng lưới điện Miền Tây năm 2016 .................... 81 Hình 3.1 Một số mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển TTĐ trên thế giới ..................................................................................................................... 86 Hình 3.2 Phân loại mô hình thị trường điện................................................. 87 Hình 3.3 Các thành phần của thị trường điện .......................................... 89 Hình 3.4 Lộ trình phát triển Thị trường điện tại Việt Nam....................... 93 Hình 3.5 Giới hạn truyền tải .................................................................... 95 Hình 3.6 Kịch bản phương thức ............................................................... 98 Hình 3.7 Giao dịch đa phương và song phương........................................ 98 Hình 3.8 Sơ đồ thị trường điện gồm nhiều nhà máy điện cấp cho nhiều phụ tải .......................................................................................................... 99 Hình 3.9 Sơ đố khối chương trình tính toán ma trận giới hạn truyền tải song phương theo tiêu chí ÔĐT .................................................................. 103 Hình 3.10 Sơ đồ Ward-Hale 6 Bus với thông số tổng trở nhánh ............. 104 Hình 3.11 Sơ đồ IEEE 14 Bus với thông số tổng trở nhánh ................... 106 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý HTĐ IEEE 39 Bus ....................................... 108 Hình 3.13 Hệ thống truyền tải điện 500 kV Việt Nam theo đến năm 2020 ................................................................................................................... 118 Hình 4.1 Biểu đồ phụ tải tương đối các nút sơ đồ Ward & Hale 6-Bus... 124 Hình 4.2 Thay đổi hệ số dự trữ công suất nút ........................................ 126 Hình 4.3 Thay đổi góc công suất các nút ................................................ 127 Hình 4.4 Thay đổi giá trị quy chuẩn khai triển SVD .............................. 127 Hình 4.5 Biến thiên hệ số dự trữ công suất các nút. .............................. 129 Hình 4.6 Thời gian cần cảnh báo nguy hiểm mất ổn định điện áp. ........ 130 xi
KÝ HIỆU HÌNH VẼ Ký hiệu Diễn giải G Máy phát điện Cuộn dây Tổng trở (hoặc tổng dẫn) Máy biến áp 2 cuộn dây Máy biến áp 3 cuộn dây Phụ tải điện Tụ điện Kháng điện bù ngang xii
Ref: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], , [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73], [74], [75], [76], [77], [78], [79]. xiii
MỞ ĐẦU 1) Lý do, mục đích lựa chọn đề tài: Hệ thống điện (HTĐ) trên thế giới đang có xu hướng ngày càng được kết nối, mở rộng và phát triển phức tạp hơn so với trước đây. Nguyên nhân là do: sự biến đổi ngày càng đa dạng của phụ tải cùng với yêu cầu cung cấp điện ngày càng cao (cả về chất lượng điện năng lẫn độ tin cậy); sự phát triển phong phú các loại nguồn điện mới (nhất là nguồn năng lượng tái tạo từ mặt trời, gió, sinh khối); sự liên kết lưới điện đa quốc gia để chia sẻ các nguồn tài nguyên năng lượng, giúp tối ưu vận hành hệ thống; và mục tiêu mang lại lợi ích kinh tế tối đa của Thị trường điện. Mạng lưới điện truyền tải – phân phối đóng vai trò là phương tiện vận chuyển năng lượng điện từ nguồn tới nơi tiêu thụ, là môi trường vật lý diễn ra các hoạt động giao dịch của thị trường điện. Tuy nhiên, năng lực truyền tải của lưới điện không phải vô hạn. Có rất nhiều rào cản kỹ thuật đối với khả năng truyền tải của lưới điện như: giới hạn phát nóng, giới hạn sụt áp và giới hạn theo điều kiện ổn định HTĐ. Việc đầu tư phát triển hệ thống truyền tải rất tốn kém và ngày càng khó khăn (do quỹ đất hạn chế). Do đó, các HTĐ ngày nay thường có xu hướng khai thác tối đa giới hạn truyền tải cho phép để đảm bảo bài toán kinh tế hệ thống. Trong các giới hạn truyền tải theo điều kiện kỹ thuật, giới hạn theo điều kiện ổn định HTĐ là khó xác định nhất, do sự đa dạng về bản chất hiện tượng ổn định, được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu. Một trong những câu hỏi lớn luôn được đặt ra là: trạng thái vận hành hiện tại của HTĐ còn cách giới hạn ổn định (GHÔĐ) bao xa và làm thế nào để định lượng được mức độ ổn định của trạng thái này? Kết quả tính toán có ý nghĩa rất quan trong trong thiết kế và vận hành HTĐ. Trong điều kiện vận hành, mỗi phương thức điều chỉnh chế độ đều liên quan đến sự thay đổi các đặc trưng ổn định và tương quan với chế độ giới hạn cho phép. Khi hoạt động theo cơ chế thị trường điện các phương thức giao dịch xuất hiện liên tiếp và đa dạng, bài toán quản lý hệ thống xét đến giới hạn ổn định cần được giải quyết thường xuyên. Trong thiết kế quy hoạch việc lựa chọn cấu trúc sơ đồ, phương án đặt thêm thiết bị nâng cao ổn định hệ thống cũng cần xem xét đến hàng loạt tình huống chế độ khác nhau liên quan đến giới hạn ổn định. Để đáp ứng cho các bài toán trên cần có những phương pháp tính toán nhanh, thuận tiện chế độ giới hạn, xét được hàng loạt các kịch bản và phương thức khác nhau trong thời gian ngắn. Rất tiếc hiện nay chưa có được những phương pháp đủ hiệu quả đáp ứng yêu cầu nói trên. Đề tài luận án được đặt ra trong bối cảnh trên với 1
mong muốn góp phần nghiên cứu phương pháp tính toán nhanh chế độ giới hạn ổn định của HTĐ. Phương pháp tính toán nhằm ứng dụng cho HTĐ sơ đồ phức tạp nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng, đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong điều kiện hoạt động của thị trường điện. 2) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là HTĐ phức tạp bất kỳ, bao gồm nhiều nhà máy điện, nhiều phụ tải điện kết nối với nhau thông qua mạng lưới truyền tải phân phối (gồm đường dây tải điện, máy biến áp, tụ bù dọc, kháng – tụ bù ngang), có thể có nhiều cấp điện áp khác nhau. Để đáp ứng yêu cầu nêu trên, luận án đã áp dụng phương pháp đề xuất để tính toán giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định cho các hệ thống điện từ đơn giản đến phức tạp. Các mô hình lưới điện tính toán gồm: các sơ đồ lưới điện phổ biến và chuẩn hóa trên thế giới như sơ đồ Ward & Hale 6 bus, sơ đồ IEEE 14 Bus, IEEE 39 Bus; áp dụng tính toán cho HTĐ Việt Nam gồm sơ đồ HTĐ 500-220-110 kV năm 2016 của Miền Tây Nam Bộ 138 Bus 288 nhánh, sơ đồ lưới truyền tải 500-220 kV Việt Nam năm 2020 rút gọn gồm 122 Bus 194 nhánh. Luận án nghiên cứu khía cạnh giới hạn ổn định tĩnh của hệ thống điện, nhằm đánh giá mức độ ổn định của trạng thái hiện hành. Các kịch bản tiến đến giới hạn ổn định bao gồm: giới hạn công suất nguồn bơm vào nút; giới hạn công suất tải rút ra khỏi nút; giới hạn công suất truyền tải từ một nút nguồn cho trước tới một nút tải cho trước bất kỳ trong hệ thống. Từ các giới hạn này sẽ xác định được hệ số dự trữ ổn định tĩnh của trạng thái đang vận hành. 3) Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn: - Luận án đề xuất phương pháp tính toán mới để xác định GHÔĐ công suất truyền tải trong HTĐ. Phương pháp thực hiện tính toán bằng giải tích cùng lúc cho hàng loạt kịch bản khác nhau, do đó giảm được đáng kể thời gian tính toán khi áp dụng cho HTĐ có sơ đồ phức tạp. - Phương pháp xác định GHÔĐ đề xuất trong luận án thuộc nhóm các phương pháp ngoại suy gần đúng. So với các phương pháp khác cùng loại có sai số nhỏ hơn, có thể đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế. Ngoài ra, độ chính xác càng cao khi chế độ khảo sát càng gần với giới hạn. Ưu điểm này phù hợp với ứng dụng khi khảo sát hệ thống ở trạng thái nguy hiểm. - Phương pháp mới đề xuất có khả năng xác định được: giới hạn công suất nguồn phát vào nút, giới hạn công suất tải rút ra từ nút, và giới hạn công suất truyền tải tăng thêm từ một nút nguồn cho trước tới một nút tải cho trước. Đây là các kịch bản rất phổ biến cần khảo sát cho hoạt động thị trường điện, tương ứng với các phương thức giao dịch mua bán điện của 2
các nút tải và nút nguồn, phương thức giao dịch song phương, do đó rất hiệu quả ứng dụng trong quản lý vận hành thị trường điện. 4) Các kết quả mới: - Luận án đã đề xuất được một phương pháp mới tính toán giới hạn ổn định tĩnh của HTĐ dựa trên cơ sở lý thuyết hình học giải tích không gian. - Luận án cũng đã đề xuất được hệ thống chỉ số mới giúp tăng cường ổn định HTĐ trong quá trình vận hành. Bộ chỉ số bao gồm: là ma trận chỉ số giới hạn ổn định công suất nút; ma trận dự trữ ổn định công suất nút; ma trận giới hạn công suất truyền tải song phương; và ma trận độ dự trữ ổn định truyền tải song phương. - Trên cơ sở thuật toán đề xuất tính toán GHÔĐ cho HTĐ phức tạp luận án đã xây dựng được mô đun chương trình ứng dụng, đặc biệt thuận lợi khi kết hợp với một chương trình tính toán phân tích CĐXL của HTĐ. Chương trình có ý nghĩa ứng dụng hiệu quả trong quản lý vận hành cũng như thiết kế quy hoạch HTĐ. - Phương pháp tính toán GHÔĐ đề xuất trong luận án dựa trên thông tin đầu vào là thông số trạng thái hiện hành của HTĐ, nó cũng có ý nghĩa phương pháp luận cho hướng nghiên cứu cảnh báo và điều khiển ổn định HTĐ trong thời gian thực. 3
1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH 1.1 Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm về ổn định Hệ thống điện (HTĐ) mang các đặc trưng của một hệ thống động, bao gồm một tập hợp lớn các phần tử chuyển động theo thời gian (các máy phát điện quay, các phụ tải là động cơ điện,…). Trong quá trình vận hành, HTĐ luôn luôn chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên, ảnh hưởng đến thông số trạng thái. Ổn định là một thuộc tính của HTĐ, nó cho phép hệ thống giữ được trạng thái vận hành cân bằng trong điều kiện bình thường (với các kích động nhỏ ngẫu nhiên) và có thể trở lại được trạng thái cân bằng sau khi chịu tác động của các kích động lớn [49]. Khái niệm ổn định luôn gắn liền với các kích động, bởi thực tế luôn luôn tồn tại những biến động (nhiễu loạn) ngẫu nhiên và hệ thống cần phải hoạt động được trong các điều kiện này như một yêu cầu về tính ổn định. Trạng thái vận hành cân bằng lâu dài của HTĐ được gọi là chế độ xác lập (CĐXL) khi tại đó các thông số hệ thống không thay đổi hoặc chỉ biến thiên nhỏ xung quanh trị số định mức. CĐXL chính là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện. Thực tế, không phải trạng thái cân bằng nào cũng là CĐXL, bởi hệ thống luôn có các kích động ngẫu nhiên thường xuyên tác động (hoạt động của phụ tải, biến thiên nhiệt độ, điều chỉnh điều khiển, đóng cắt thiết bị, ...). Nếu sau một kích động nhỏ, thông số hệ thống bị thay đổi liên tục ra xa khỏi điểm cân bằng thì CĐXL không tồn tại và hệ thống khi đó được coi là không có ổn định tĩnh. Như vậy ổn định tĩnh là một thuộc tính của HTĐ tại điểm cân bằng, có khả năng giữ được sự biến động nhỏ của thông số xung quanh trị số ban đầu sau những kích động ngẫu nhiên. Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên và ngẫu nhiên, trong HTĐ còn có thể diễn ra những kích động lớn như các sự cố ngắn mạch, đóng cắt các phần tử mang công suất lớn lúc vận hành. Khi đó trạng thái cân bằng đột ngột thay đổi, hệ thống chuyển sang làm việc ở CĐXL mới. Để chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, hệ thống điện cần trải qua chế độ quá độ (CĐQĐ). CĐQĐ được gọi là bình thường nếu nó tiến đến CĐXL mới với các thông số biến thiên hữu hạn và trở về giá trị định mức hoặc gần định mức sau khoảng thời gian đủ ngắn. CĐQĐ sự cố là CĐQĐ trong đó thông số trạng thái thay đổi mạnh, tăng trưởng vô hạn, về 0 hoặc dao động không tắt, hệ thống không thể hoạt động được ở CĐXL mới nào [2]. Hệ thống đảm bảo 4