Luận án: Xác định giới hạn truyền tải ổn định hệ thống điện phức tạp Việt Nam

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 được CĐQĐ diễn ra bình thường sau một kích động lớn được gọi là hệ thống giữ được ổn định động, ngược lại, hệ thống mất ổn định động. Nghiên cứu ổn định là yêu cầu bắt buộc đối với tất cả các HTĐ, bởi yêu cầu đảm bảo ổn định liên quan trực tiếp đến việc thiết kế hệ thống truyền tải điện, xây dựng phương thức vận hành cũng như các giải pháp khắc phục khi sự cố.