Tài liệu Giải tích hệ thống truyền tải dùng giải thuật line flow based với thiết bị facts svc (static var compensation)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- VŨ XUÂN VINH GIẢI TÍCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI DÙNG GIẢI THUẬT LINE FLOW BASED VỚI THIẾT BỊ FACTS SVC (STATIC VAR COMPENSATION) Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60 52 02 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Hồ Văn Hiến (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : ................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. ......................................................... 2. ......................................................... 3. ......................................................... 4. ......................................................... 5. ......................................................... Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA. TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------- CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc --------oOo--------TP.HCM, ngày ……tháng …..năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: VŨ XUÂN VINH MSHV: 1670846 Ngày, tháng, năm sinh: 22-09-1982 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60520202 I. TÊN ĐỀ TÀI: Giải tích hệ thống truyền tải dùng giải thuật Line-Flow-Based với thiết bị FACTS SVC (Static Var Compensator) II. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: ¾ Ứng dụng giải thuật Line Flow Based vào giải tích hệ thống điện ¾ Áp dụng giải thuật Line Flow Based phân tích lưới điện khi có thiệt bị FACTS SVC ¾ Dùng phương pháp Newton Raphson để kiểm tra lại kết quả tính của LFB III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03-12-2017 V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒ VĂN HIẾN Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) Tp. HCM, ngày …….tháng ……năm 2017 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TS. HỒ VĂN HIẾN TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ của Trường Đại hoc Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học và luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô của Khoa Điện – Điện Tử đã tận tình giảng dạy tôi trong suốt thời gian vừa qua, đặc biệt là Tiến sĩ Hồ Văn Hiến đã tận tình, trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Cảm ơn Ba, Mẹ đã sinh thành dưỡng dục con, cảm ơn Vợ và các con đã luôn động viên và ủng hộ tôi trên con đường học vấn. Cảm ơn các bạn cùng khóa đã hỗ trợ, chia sẽ với tôi những kinh nghiệm, tài liệu và động viên tôi trong học tập. Xin chân thành cám ơn tất cả ! TP.Hồ Chí Minh Ngày ……..tháng ……năm 2017 Vũ Xuân Vinh TÓM TẮT Tính toán phân bố công suất, dòng điện trên các nhánh và điện áp tại các nút trong mạng điện là một việc rất cần thiết. Việc tính toán chính xác các thông số là rất quan trọng, từ đó có thể chọn vị trí lắp đặt các thiết bị để bù công suất phản kháng, điều khiển dòng công suất, nâng cao điện áp giúp vận hành lưới điện một cách linh hoạt, cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Luận văn này trình bày một hướng nghiên cứu mới sử dụng phương pháp Line Flow Based để tính toán, phân tích hệ thống điện. Kiểm tra ổn định điện áp theo tiêu chuẩn từ đó lắp đặt thiết bị FACTS (SVC) để nâng cao điện áp. So sánh kết quả tính toán trước và sau khi lắp đặt thiết bị FACTS (SVC) với phương pháp Newton Raphson. Abstract: It is indispensable for power flow and current flow analysis at each bus and nodal voltage analysis in power engineering study. This precise calculation of the parameters is greatly crucial, which enables us to determine electrical device locations for the reactive power compensation, power flow control, voltage increment for flexible system operation, power quality improvement and power reliability enhancement. This master’s thesis would like to present a new research way employing the Line Flow Based method for calculating and analyzing power systems. This method furnishes the voltage stability inspection according to criteria, thus allowing installation of the FACTS (SVC) to increase the voltage. The calculation results of prior and subsequent installation of FACTS (SVC) will be compared to Newton Raphson method. LỜI CAM ĐOAN Luận văn thạc sĩ này được thực hiện tại Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh. Là công trình do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Tiến sĩ Hồ Văn Hiến. Tôi xin cam đoan phần trình bày dưới đây là đúng sự thật. Trường hợp có khiếu nại gì liên quan tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Người thực hiện Vũ Xuân Vinh MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................. 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 2 1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận văn ............................................................ 2 1.4 Khả năng ứng dụng thực tế ...................................................................... 2 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ TÍNH PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 2.1 Mô hình các phần tử trong hệ thống điện ................................................ 3 2.1.1 Mô hình đường dây truyền tải ............................................................... 3 2.1.1.1 Phương trình tính sụt áp đường dây ................................................... 3 2.1.1.1.1 Tính toán cho đường dây có thông số tập trung ............................. 4 2.1.1.1.2 Tổng dẫn mắc song song ................................................................. 5 2.1.1.1.3 Tổng trở trong dây dẫn .................................................................... 6 2.1.1.2 Dây tiếp địa ........................................................................................ 7 2.1.1.3 Đường dây truyền tải mạch kép .............................................................8 2.1.1.4 Hệ đơn vị tương đối ................................................................................9 2.1.2 Mô hình máy biến áp lực ...........................................................................10 2.1.2.1 Máy biến áp một pha ..............................................................................11 2.1.2.2 Máy biến áp có đầu phân áp thay đổi ....................................................12 2.1.2.3 Máy biến áp ba pha ................................................................................13 2.1.2.4 Các thông số hệ thống trong miền thứ tự .............................................14 2.1.3 Mô hình nguồn phát ..................................................................................15 2.1.3.1 Phương trình điện áp nguồn phát ...........................................................16 2.1.3.2 Tải hệ thống ........................................................................................ 18 2.2 Tổng quan về bài toán Phân bố công suất: Gauss Seidel Newton Raphson – Decouple ...................................................................................................... 21 2.3 Kết luận .................................................................................................... 23 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN LINE FLOW BASED (Phân bố công suất trên cơ sở dòng nhánh) 3.1 Mô hình thiết bị FACTS chung ................................................................ 25 3.2 Phương trình điện áp nhánh ..................................................................... 25 3.3 Phương trình cân bằng công suất ............................................................. 27 3.4 Phương trình điện áp đường dây .............................................................. 27 3.5 Phương trình góc lệch pha trên mạch vòng ............................................. 28 3.6 Áp dụng trên mạng điện mẫu ................................................................... 28 3.6.1 Sơ đồ mạng điện .................................................................................... 28 3.6.2 Thông số mạng điện .............................................................................. 29 3.6.3 Sơ đồ khối tính phân bố công suất bằng phương pháp LFB (Line Flow Based) ............................................................................................................. 30 3.6.4 Kết quả tính toán ................................................................................... 34 3.6.5 So sánh kết quả với kết quả tính theo phương pháp Newton Paphson (Sử dụng chương trình của Hadi Saadat) .............................................................. 36 3.7 Kết luận .................................................................................................... 37 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG VỚI THIẾT BỊ FACTS SVC 4.1 Tổng quan thiết bị FACTS ....................................................................... 38 4.2 Mô hình tĩnh của thiết bị FACTS ............................................................. 39 4.2.1 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC – Static Var Compensator) ................................................................................................. 39 4.2.2 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor (TCSC – Thyristor Controlled Series Capacitor) ............................................................................................ 46 4.2.3 Thiết bị điều khiển dòng công suất (UPFC – Unified Power Flow Control) .......................................................................................................... 48 4.2.4Thiết bị bù ngang điều khiển thyristor (STATCOM) ............................ 50 4.3 Mô hình dòng công suất LFB trong mạng truyền tải ............................... 53 4.4 Graph trong mạng điện ............................................................................. 55 4.5 Giải thuật Line Flow Based (LFB power flow matrix) ........................... 59 4.6 Giải thuật LFB với thiết bị thiết bị FACTS ............................................. 60 4.7 Tiêu chuẩn ổn định điện áp ............................................................... 65 4.8 Áp dụng vào mạng điện mẫu ................................................................... 68 4.9 Kết luận .................................................................................................. ..75 CHƯƠNG V: NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN PHỤ LỤC 1 .................................................................................................. 76 PHỤ LỤC 2 .................................................................................................. 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT IEEE The Institude of Electrical and Electronic Engineers LFB Line Flow Based AC Alternating current DC Direct current GTO Gate Turn Off IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MATLAB Matrix Laboratory VSC Voltage Sourced Converter TCR Thyristor Controller Reactor TSC Thyristor Switched Capacitor SVC Static Var Compensator STATCOM Static Synchronous Compensator TCSC Thyristor Controller Series Capacitor UPFC Unifiel Power Flow Controller FACTS Flexible Alternating Current Tranmission System CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Đặt vấn đề: Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và khoa học công nghệ trên thế giới đã dẫn đến nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng trong đó năng lượng điện đóng vai trò then chốt. Trên cơ sở đó, hệ thống điện ngày càng phát triển và mở rộng cả về quy mô và công nghệ. Việc truyền tải điện năng bằng các đường dây dài, điện cao áp và siêu cao áp làm xuất hiện một lượng công suất phản kháng lớn do bản thân đường dây sinh ra trong quá trình vận hành, điều này gây ảnh hưởng ít nhiều đến chế độ làm việc của máy phát, thay đổi phân bố công suất và điện áp trong hệ thống điện. Mặt khác, do tính chất tiêu thụ điện ở các khu vực trong từng thời điểm khác nhau cho nên trào lưu công suất trên đường dây truyền tải cũng liên tục thay đổi theo thời gian đều này cho thấy tại một thời điểm trên hệ thống điện sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác non tải và ngược lại. Việc tính toán phân bố công suất, dòng điện trên các nhánh, điện áp tại các nút là việc rất cần thiết cho việc vận hành, điều khiển hệ thống điện. Luận văn này nghiên cứu việc sử dụng phương pháp Line Flow Based để áp dụng tính toán phân bố công suất trên lưới điện truyền tải từ đó xác định nút có khả năng mất ổn định điện áp, sau đó ứng dụng lắp đặt thiết bị FACTS (SVC) để nâng cao điện áp tại nút đã xác định. Trong quá trình phân tích bỏ qua yếu tố kinh tế và chỉ chú trọng các vấn đề yếu tố kỹ thuật. 2. Mục tiêu nghiên cứu:  Ứng dụng giải thuật Line Flow Based vào giải tích hệ thống điện 1  Áp dụng giải thuật Line Flow Based phân tích lưới điện khi có thiết bị FACTS SVC  Dùng phương pháp Newton Raphson để kiểm tra lại kết quả tính toán của LFB 3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn:  Nghiên cứu giải thuật Line Flow Based trong giải tích hệ thống điện.  Vị trí lắp đặt thiết bị bù SVC vào hệ thống để đạt được kết quả cao. 4. Khả năng ứng dụng thực tế:  Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử cũng như công nghệ chế tạo các Thyristor công suất lớn, các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS ngày càng được sử dụng rộng rãi các ở một số nước trên thế giới với chi phí đầu tư giảm.  Trong tương lai không xa, khi ngành điện Việt Nam chuyển sang cơ chế thị trường điện cạnh tranh thì việc áp dụng các thiết bị FACTS là cần thiết.  Chứng minh những ưu điểm của việc xây dựng công thức LFB trong việc xử lý các thiết bị SVC được gắn thêm vào. 2 CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ TÍNH PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 2.1 Mô hình các phần tử trong hệ thống điện: 2.1.1 Mô hình đƣờng dây truyền tải: Trong tính toán phân tích hệ thống điện, các đường dây truyền tải điện được mô tả theo dạng hình π đơn giản hoặc mạch π tương đương nếu chiều dài điện của đường dây lớn. Hình 2.1: Sơ đồ hình π của tuyến dây truyền tải điển hình 2.1.1.1 Phƣơng trình tính sụt áp đƣờng dây. Các dây dẫn pha của đường dây 3 pha có dây đất, bỏ qua ảnh hưởng của điện dung đường dây, được minh họa như trong hình sau: Hình 2.2: Sơ đồ tương đương đường dây truyền tải 3 pha. 3 Phương trình tính sụt áp được viết dưới dạng ma trận như sau: Va   Raa  g  jLaa  g V    R  b   ba  g  jLba  g Vc   Rca  g  jLca  g Rab  g  jLab  g Rbb  g  jLbb  g Rcb  g  jLcb  g Rac  g  jLac  g   I a  Va'     Rbc  g  jLbc  g . I b   Vb'  (2.1) Rcc  g  jLcc  g   I c  Vc'  2.1.1.1.1 Tính toán cho đƣờng dây có thông số tập trung: Việc tính toán các thông số đường dây 3 pha thường gặp rất nhiều khó khăn do sự ảnh hưởng của hỗ cảm, điện dung giữa các dây dẫn với nhau và giữa dây dẫn với đất. Ngoài ra, điện trở và tự cảm đường dây thay đổi theo tần số, dung dẫn đường dây cũng thay đổi theo chiều dài đường dây. Ma trận tổng dẫn Zseries của đường dây nhiều mạch, có xét đến sự mất cân bằng hình học, sự phụ thuộc tần số và bỏ qua hiệu ứng đường dây dài, được mô tả theo phương trình sau: Z series  Z int ernal  Z geometric  Z ground (2.2) Trong đó: Zinternal : là tổng trở bên trong dây dẫn. Zgeometric : là tổng trở do ảnh hưởng của từ trường giữa các dây với nhau. Zground : là tổng trở hồi tiếp về đất. Trong đa số trường hợp, thông số Zgeometric là hàm tuyến tính với hệ số P. Trừ Zinternal, các tổng trở Zground, Zgeometric và hệ số P là hàm phụ thuộc vào cách bố trí dây dẫn trên trụ. Các hiệu ứng điện dung đường dây được thể hiện trong ma trận tổng dẫn shunt (tuyến tính với hệ số P). Giả sử, bề mặt dây dẫn và mặt đất bên dưới là các mặt đẳng thế, ta có thể sử dụng phương pháp đối xứng gương để xác định hệ số P. 4 Hình 2.3: Sơ đồ bố trí dây dẫn và ảnh đối xứng   2ha  D   D   ln ab  ln ac   ln  d ab   d ac     rext.a   D   2h   D  P   ln ba  ln b  ln bc    rext.b   d bc     d ba    Dca  D   2h   ln cb  ln c   ln   d ca   d cb   rext.c  (2.3) Ma trận tổng trở Zgeometric được xác định như sau: Z geometric  j . 0 .P 4. .km 1 (2.4) Trong đó, Zgeometric thay đổi tuyến tính theo tần số f,   2f và hệ số từ thẩm trong chân không là  0  4 10 4 H .km 1 2.1.1.1.2 Tổng dẫn mắc song song: Tham số tổng dẫn song song là đại lượng thay đổi tuyến tính theo tần số có thể được xác định theo nghịch đảo hệ số P. Ma trận tính tổng dẫn shunt của hệ thống như trên: 5 Yshunt  j 2 0 P 1 S .km 1 (2.5) Trong đó  0  8.85 10 9 F .km 1 là hệ số điện môi trong chân không. 2.1.1.1.3 Tổng trở trong dây dẫn. Trong hệ thống điện, ở tần số công nghiệp, ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài là khá nhỏ và có thể bỏ qua. Do đó, ta có thể giả định rằng từ trường bên trong dây dẫn được giới hạn trong khoảng không giữa bán kính ngoài dây dẫn (rext) và bán kính trung bình hình học của dây dẫn (gmr). Hình 2.4: Mặt cắt ngang của dây dẫn điện  1 4 rgmr  e .rext (2.6) Hệ số Pinternal cho hệ thống 3 dây dẫn được cho bới ma trận sau: Pint ernal   rext.1   ln   rgmr .1    0    0   0 r ln ext.2 r  gmr .2 0     0 0 r ln ext.3 r  gmr .3            (2.7) Như vậy, ta có ma trận tổng dẫn bên trong dây dẫn: Z int ernal  Rac  j 0 Pint ernal 4 .km 1 (2.8) Trong đó, Rac và mà trận đường chéo tương ứng với điện trở AC của dây dẫn (50Hz hoặc 60Hz). 6 2.1.1.2 Dây tiếp địa: Ma trận tính sụt áp của đường dây truyền tải 3 pha với hai dây tiếp địa w và v như sau: Va   Z aa  g V   Z  b   ba  g Vc    Z ca  g    Vw   Z wa g Vv   Z va g  Z ab  g Z ac  g Z aw g Z bb  g Z bc  g Z bw g Z cb g Z cc  g Z cw g Z wb g Z wc g Z ww g Z vb g Z vc g Z vw g Z av  g   I a  Va'  Z bv  g   I b  Vb'    Z cv  g . I c   Vc'       (2.9) Z wv g   I w  Vw'  Z vv g   I v  Vv'  Viết gọn lại, ta có: Vabc  A.I abc  B.I wv (2.10) Vwv  C.I abc  D.I wv (2.11) Trong đó, Vabc Va  Va'  I a     Vb  Vb'  ; I abc   I b  Vc  Vc'   I c    (2.12) Vwv Vw  Vw'  I w   I  ; wv I  '   v  Vv  Vv  (2.13)  Z aa  g  A   Z ba  g  Z ca  g  Z ab g Z cb g  Z aw g Z ac  g    Z bc  g  ; B   Z bw g  Z cw g Z cc  g    Z wa g C  Z va g Z wb g Z vb g Z wc g   Z ww g ; D  Z vc g   Z vw g Z bb g Z av  g   Z bv  g  Z cv  g  Z vw g  Z vv g  (2.14) (2.15) Do dây nối đất hai đầu đường dây đều được nối đất nên ΔVwv=0. Ta có các phương trình đơn giản: 7 Vabc  A.I abc  B.I wv (2.16) 0  C.I abc  D.I wv (2.17) Giải phương trình (1.17), ta tính được Ivw: I wv   D 1CI abc Thay vào (1.16), ta được: Vabc  [ A  B.D 1 .C ].I abc  Z abc  wv g .I abc (2.18) Với Z abc wv g  A  B.D 1C Viết lại (1.18) dưới dạng ma trận: Va   Z aa wv g  V    Z  b   ba wv g  Vc   Z ca wv g Z abwv g Z bbwv g Z cbwv g Z acwv g   I a   Z bcwv g . I b  Z ccwv g   I c  (2.19) 2.1.1.3 Đƣờng dây truyền tải mạch kép: Trong thực tế hai hay nhiều mạch 3 pha của đường dây truyền tải thường được đi chung trên trụ điện và vận hành song song. 8 Hình 2.5: Sơ đồ đường dây truyền tải 3 pha, mạch kép. Phương trình mô tả tương tác từ giữa các pha dây dẫn:  Va   Z aa  g  V   Z  b   ba  g  Vc   Z ca  g    V A    Z Aa g  VB   Z Ba  g    VC   Z Ca  g Z ab  g Z ac  g Z aA g Z aB  g Z bb  g Z bc  g Z bA g Z bB  g Z ab  g Z cc  g Z cA g Z cB  g Z Ab g Z Ac g Z AA g Z AB g Z Bb  g Z Bc  g Z BA  g Z BB  g Z Bc  g Z Cc g Z CA g Z CB g Z aC  g   I a  Z bC  g   I b    Z cC  g   I c  .  Z AC  g   I A  (2.20) Z BC  g   I B    Z CC  g   I C  2.1.1.4 Hệ đơn vị tƣơng đối: Trong thực tế hệ thống điện có nhiều cấp điện áp khác nhau vì thế khi tính toán gắp nhiều khó khăn, để thuận tiện trong việc tính toán ta sử dụng hệ đơn vị tương đối. Về cơ bản, đơn vị tương đối là tỷ số giữa giá trị thực và giá trị cơ bản chọn trước. Các giá trị tính trong đơn vị tương đối có thể là dòng điện, điện áp, công suất hoặc tổng trở. 9