(Luận văn thạc sĩ) cải tiến sa thải phụ tải trong microgrid vận hành ở chế độ tách lưới

TỔNG QUAN

Tổng quan về hướng nghiên cứu

Một trong những mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia là an ninh năng lượng điện, khi nhiều nước sẽ đối mặt với sự thiếu hụt nguồn cung trong vài thập kỷ tới Hậu quả của mất an ninh hệ thống điện gây thiệt hại kinh tế xã hội sâu sắc, trong khi trữ lượng nhiên liệu truyền thống như dầu, khí đốt và than ngày càng cạn kiệt Việc khai thác và sản xuất năng lượng từ những nguồn này cũng góp phần gây ô nhiễm môi trường và nóng lên toàn cầu Do đó, cần tìm kiếm giải pháp năng lượng mới, sạch hơn, không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và các phương pháp khai thác có hại cho môi trường Sử dụng Microgrid được xem là phương án tối ưu để giải quyết những vấn đề này.

Microgrid, hay còn gọi là lưới điện nhỏ, là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán, các phụ tải và hệ thống đo đếm Hệ thống này có khả năng hoạt động độc lập hoặc tách rời khỏi lưới điện phân phối hiện tại.

Việc sử dụng năng lượng tái tạo đang trở thành giải pháp hiệu quả cho vấn đề thiếu hụt năng lượng điện, đặc biệt tại các khu vực khó tiếp cận lưới điện Sự phát triển liên tục trong việc tối ưu hóa nguồn năng lượng và hệ thống chuyển đổi đã dẫn đến việc áp dụng năng lượng tái tạo trong nhiều cấu hình khác nhau, từ hệ thống quang điện đơn giản đến các hệ thống Microgrid Microgrid không chỉ mang lại lợi ích cho hộ tiêu thụ mà còn cho các đơn vị cấp điện, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm khí thải và chi phí cho người dùng Hệ thống Microgrid còn có khả năng giảm dòng điện trên các đường truyền và phân phối, từ đó giảm tổn thất và chi phí cho nguồn điện bổ sung.

LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS TS QUYỀN HUY ÁNH

Microgrid là hệ thống năng lượng sinh thái, sử dụng nguồn năng lượng tái tạo làm chính Nó hoạt động ở hai chế độ: kết nối lưới và tách lưới Sa thải phụ tải trong Microgrid diễn ra thường xuyên hơn so với hệ thống điện truyền thống, chủ yếu do biến đổi thời tiết hoặc khi mất kết nối với lưới điện chính Những tình huống này gây ra chênh lệch công suất, dẫn đến suy giảm tần số và nguy cơ mất ổn định hệ thống Do đó, nghiên cứu sa thải phụ tải trong Microgrid là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định khi vận hành tách rời khỏi lưới điện chính.

Trong hệ thống điện và microgrid, điện áp và tần số là hai thông số quan trọng để đánh giá độ ổn định và chất lượng Khi có mất cân bằng công suất giữa phát và phụ tải, tần số hệ thống sẽ giảm, yêu cầu phải sa thải phụ tải để khôi phục tần số về mức cho phép Nhiều phương pháp tính toán lượng công suất sa thải đã được đề xuất, nhưng chưa tối ưu về công suất Luận văn này đề xuất phương pháp sa thải phụ tải trong microgrid, tính toán công suất sa thải tối thiểu dựa vào khả năng điều chỉnh tần số của máy phát điện Nghiên cứu sẽ áp dụng thuật toán AHP để xác định hệ số tầm quan trọng của phụ tải, khoảng cách điện áp từ bus đến phụ tải và chỉ số độ nhạy điện áp Phân bố công suất sa thải tối thiểu đến các bus tải sẽ dựa trên phương pháp đa tiêu chí, đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật thông qua việc kết hợp các tiêu chí đã nêu.

13 độ nhạy điện áp đáp ứng về phương diện kỹ thuật, tiêu chí hệ số tầm quan trọng của các phụ tải đáp ứng về phương diện kinh tế

1.1.2 Đặc điểm và các chế độ vận hành của Microgrid

Microgrid đang trở thành một lĩnh vực sáng tạo hàng đầu trong ngành công nghiệp điện, với tiềm năng lớn trong việc thúc đẩy tăng trưởng bền vững Chúng có thể hoạt động dưới dạng cân bằng năng lượng trong lưới phân phối điện hiện có hoặc như các mạng năng lượng độc lập trong các cộng đồng nhỏ Microgrid có khả năng cung cấp điện cho khu vực nông thôn với chi phí thấp hơn và tổn thất điện năng tối thiểu khi hoạt động ở chế độ tách lưới Ngược lại, trong chế độ kết nối lưới, chúng hỗ trợ lưới chính thông qua điều khiển điện áp, điều khiển tần số và cung cấp độ linh hoạt, kiểm soát và độ tin cậy cao hơn Tuy nhiên, để vận hành thành công Microgrid, cần có kế hoạch phù hợp và giải quyết các thách thức liên quan đến vận hành, kiểm soát và bảo vệ, đồng thời phát triển các chiến lược kiểm soát và kế hoạch bảo vệ tùy thuộc vào chế độ hoạt động.

Microgrid là hệ thống lưới điện hiện đại, quy mô nhỏ và độc lập, khác biệt với lưới điện tập trung truyền thống Chúng có khả năng ngắt kết nối khỏi lưới điện chính và hoạt động độc lập, từ đó nâng cao khả năng phục hồi và giảm thiểu gián đoạn Thường được lắp đặt bởi các cộng đồng, microgrid thường sử dụng máy phát điện diesel và ngày càng tích hợp nhiều nguồn năng lượng phân tán, như hệ thống năng lượng mặt trời, giúp giảm đáng kể lượng khí carbon thải ra.

Hình 1.1: Tổng quan về Microgrid

Microgrid có hai chế độ vận hành: Chế độ kế nối lưới điện quốc gia và chế độ tách lưới

Chế độ kết nối lưới điện quốc gia cho phép trao đổi năng lượng giữa các nguồn điện, giúp giảm tải cho lưới điện chính Mục tiêu chính là kiểm soát điểm dừng công suất thông qua việc điều chỉnh công suất phát của các nguồn điện phân tán (DG), đặc biệt là các DG sử dụng công nghệ nghịch lưu nối lưới.

Chế độ tách lưới của Microgrid hoạt động độc lập với lưới điện chính, không cho phép trao đổi năng lượng Mục tiêu chính là kiểm soát biên độ điện áp và tần số trong giới hạn chấp nhận, đồng thời quản lý công suất của các nguồn phát phân tán (DG) trong Microgrid Khi hoạt động ở chế độ này, công suất từ các nguồn năng lượng tái tạo thường xuyên thay đổi do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài, dẫn đến sự thiếu hụt và mất cân bằng giữa công suất phát và phụ tải Do đó, việc sa thải phụ tải trở thành cần thiết để duy trì sự ổn định của lưới điện trong Microgrid.

1.1.3 Các thành phần của Microgrid

Máy phát điện phân tán (DG) là phương pháp sử dụng công nghệ quy mô nhỏ để sản xuất điện gần với người tiêu dùng cuối Các công nghệ này thường bao gồm các máy phát điện, mang lại lợi ích về hiệu quả và tính bền vững trong việc cung cấp năng lượng.

Máy phát điện phân tán có thể cung cấp điện với chi phí thấp hơn, đồng thời đảm bảo độ tin cậy và bảo mật điện cao hơn so với máy phát điện truyền thống Hơn nữa, nó cũng có ít tác động đến môi trường.

Các nhà máy điện truyền thống như nhà máy đốt than, khí đốt, điện hạt nhân, đập thủy điện và nhà máy năng lượng mặt trời quy mô lớn thường tập trung hóa và cần truyền tải điện qua khoảng cách xa Ngược lại, hệ thống máy phát điện phân tán là công nghệ phi tập trung, linh hoạt hơn, nằm gần các tải tiêu thụ, với công suất khoảng 10 MW hoặc ít hơn Những hệ thống này có thể bao gồm nhiều thành phần phát điện và lưu trữ, được gọi là hệ thống năng lượng lai.

Hệ thống máy phát điện phân tán sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như thủy điện nhỏ, sinh khối, khí sinh học, năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng địa nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong phân phối điện năng Thiết bị kết nối lưới để lưu trữ điện cũng được coi là hệ thống phát điện phân tán, thường được gọi là hệ thống lưu trữ năng lượng phân tán Qua giao diện, các hệ thống này có thể được quản lý và phối hợp trong lưới điện thông minh, cho phép thu thập năng lượng từ nhiều nguồn, giảm tác động môi trường và cải thiện an ninh nguồn cung.

1.1.3.2 Các hệ thống lưu trữ năng lượng

Các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) ngày càng trở nên quan trọng trong thị trường năng lượng và các ứng dụng microgrid, giúp tăng cường việc sử dụng năng lượng tái tạo và giảm phát thải CO2 ESS không chỉ đóng vai trò trong công nghệ lưới điện thông minh mà còn ảnh hưởng mạnh mẽ đến hệ thống điện tổng thể, cung cấp nguồn điện liên tục và linh hoạt để đối phó với tắc nghẽn và gián đoạn Hơn nữa, ESS đảm bảo dịch vụ điện đáng tin cậy trong các sự cố do thiên tai, đồng thời giảm giá điện bằng cách lưu trữ năng lượng trong giờ thấp điểm Trong những thập kỷ qua, năng lượng tái tạo đã hỗ trợ đáng kể cho người tiêu dùng điện ngoài lưới thông qua ESS.

Việc phân loại các hệ thống ESS dựa trên nguồn năng lượng sơ cấp, bao gồm cơ năng, điện hóa học, hóa năng, điện năng, nhiệt năng và hệ thống lai hóa Các hệ thống này được phân loại theo hình thức và vật liệu thành phần của chúng, như được thể hiện chi tiết trong Hình 1.2.

Hình 1.2: Phân loại hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) theo sự hình thành năng lượng và vật liệu thành phần của chúng [5]

Các nghiên cứu và phương pháp sa thải trong Microgrid

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước

Huỳnh Văn Dũng (2014) trong luận văn thạc sĩ đã nghiên cứu về việc kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện Microgrid Nghiên cứu tập trung vào các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với lưới điện xoay chiều từ các nguồn phát phân tán như năng lượng mặt trời và gió Bên cạnh đó, luận văn cũng giới thiệu và ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn để xác định các hệ số điều khiển trong bộ điều khiển dòng điện.

Nguyễn Viết Sang (2016) trong luận văn thạc sĩ đã nghiên cứu về hệ thống Microgrid, bao gồm khái niệm, cấu hình, ưu nhược điểm và các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng Luận văn cũng xây dựng mô hình Microgrid để mô phỏng chất lượng điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với máy phát Diesel Trong quá trình mô phỏng, điện áp AC từ máy phát được chỉnh lưu thành DC và kết hợp với điện áp DC từ pin mặt trời để chuyển đổi thành điện áp AC Mô hình này được xây dựng trong môi trường Simulink của Matlab 2015a, với kết quả chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng của điện áp Microgrid khi hoạt động độc lập với lưới điện.

Phạm Minh Pha (2016) trong luận văn thạc sĩ “Sa thải phụ tải trong MicroGrid ở chế độ tách lưới” đã đề xuất các phương pháp hoạch định sa thải phụ tải nhằm duy trì công suất cho các tải quan trọng Luận văn này xem xét mức độ ưu tiên của phụ tải và áp dụng quy tắc phân bổ công suất theo Talmud trong Microgrid khi có nhiễu loạn trên lưới điện chính Chương trình hoạch định sa thải phụ tải, được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java, thực hiện việc sa thải phụ tải khi tổng công suất phát khả dụng không đủ để đáp ứng nhu cầu.

Để quản lý hiệu quả nhu cầu phụ tải, cần phân bổ công suất một cách công bằng cho các tải quan trọng, tuân theo quy tắc Talmud Sau khi cung cấp đầy đủ công suất cho các tải ưu tiên, phần công suất còn lại sẽ được phân phối cho các phụ tải cùng mức độ ưu tiên Cuối cùng, các tải có mức độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị cắt Các chương trình sa thải phụ tải đã được thử nghiệm trên Microgrid trong chế độ tách lưới.

1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Nur Najihah Abu Bakar và các cộng sự đã trình bày Microgrid như một giải pháp hiệu quả để tích hợp nhiều nguồn năng lượng phân tán vào hệ thống phân phối điện Trong ngành năng lượng tiện ích, việc triển khai Microgrid có thể hỗ trợ mạng điện trong thời gian cao điểm bằng cách cung cấp công suất cho lưới, đáp ứng nhu cầu năng lượng của khách hàng Khi ngắt kết nối với lưới điện chính, Microgrid sẽ chuyển sang chế độ hoạt động tách lưới.

Để quản lý hiệu quả các hoạt động trong chế độ tách lưới, các chiến lược quản lý năng lượng cần được áp dụng nhằm đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện giữa công suất nguồn phát và phụ tải Việc sử dụng sơ đồ sa thải tải giúp giảm mức tiêu thụ công suất của phụ tải xuống mức có thể được các nguồn phân tán trong Microgrid cung cấp Bài viết này đánh giá các chiến lược sa thải tải phù hợp cho hoạt động của một microgrid khi hoạt động ở chế độ tách lưới.

Mousa Marzband và các cộng sự (2015) đã chỉ ra rằng sự mất cân bằng giữa công suất phát và phụ tải là nguyên nhân chính gây ra sự mất ổn định tần số trong các hệ thống điện, đặc biệt là trong Microgrid hoạt động ở chế độ tách lưới Bài viết này giới thiệu một sơ đồ kiểm soát thích ứng hiệu quả nhằm xác định công suất của các tải cần sa thải và vị trí thích hợp để duy trì tần số hệ thống trong giới hạn cho phép Bộ điều khiển đề xuất sử dụng phương pháp sa thải tải từng bước để điều chỉnh tần số lưới đồng thời cung cấp công suất thiếu hụt Bộ điều khiển này đo lường các tham số hệ thống, đặc biệt là điện áp và tần số, để thực hiện sa thải tải tại các vị trí có sự sụt giảm điện áp và tần số cao nhất Bước chuyển tải được điều chỉnh dựa trên các yếu tố như tốc độ sa thải, vị trí và giá trị tần số Phương pháp này loại bỏ các tải có thể điều chỉnh nhằm đưa tần số về giá trị mong muốn Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất mang lại sự cải thiện đáng kể về độ ổn định tần số so với bộ điều khiển PID thông thường trong các kịch bản thực tế khác nhau.

Wei Gu và các cộng sự đã nghiên cứu phương pháp sa thải tải dưới tần số đa giai đoạn nhằm khôi phục tần số cho Microgrid hoạt động ở chế độ tách lưới Phương pháp này được điều chỉnh dựa trên ước tính cường độ của sự thiếu hụt năng lượng, giúp tối ưu hóa hiệu suất của Microgrid trong các tình huống khẩn cấp.

Phương pháp đề xuất nhằm khôi phục tần số cho microgrid hoạt động ở chế độ tách lưới bằng cách điều chỉnh sa thải tải và đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục cho các tải quan trọng Nghiên cứu đã mô phỏng và chứng minh hằng số quán tính tương đương của microgrid, cho thấy rằng phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số có khả năng phục hồi ổn định tần số một cách hiệu quả qua nhiều giai đoạn tải Kết quả mô phỏng trong miền thời gian đã xác nhận tính khả thi của phương pháp này.

Quan Zhou và các cộng sự đã phát triển một kế hoạch giảm tải hai giai đoạn nhằm đối phó với sự thiếu hụt năng lượng tiềm ẩn từ Microgrid hoạt động ở chế độ tách lưới Phương pháp này kết hợp phản ứng nhanh từ các nguồn năng lượng phân tán để tạo ra mạng lưới điều chỉnh tần số, ước tính sa thải tải ở mỗi giai đoạn và phân phối lại dòng điện Giai đoạn đầu tiên chấm dứt các suy giảm tần số nhanh, sử dụng độ lệch tần số đo cục bộ để xác định mức độ sa thải tải Khi đạt trạng thái ổn định mới, giai đoạn thứ hai được kích hoạt, thực hiện sa thải tải theo mức độ ưu tiên Hiệu quả của phương pháp được xác minh qua mô phỏng trong PSCAD/EMTDC dựa trên hệ thống microgrid giảm quy mô.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Bài viết phân tích trạng thái hệ thống Microgrid khi xảy ra sự cố mất kết nối với lưới điện chính, sử dụng mô hình hóa và mô phỏng sơ đồ hệ thống Microgrid 16-Bus qua phần mềm PowerWorld Simulator Nghiên cứu nhằm mục tiêu đánh giá hiệu suất và khả năng phục hồi của Microgrid trong tình huống khẩn cấp.

 Tính toán lượng công suất sa thải tải tối thiểu có xét đến khả năng điều chỉnh tần số sơ cấp và thứ cấp trong hệ thống Microgrid

Tính toán tầm quan trọng của các đơn vị tải bằng thuật toán AHP giúp xác định thứ tự ưu tiên sa thải và phân bố công suất sa thải cho các đơn vị tải Ngoài ra, việc tính toán khoảng cách điện áp từ bus bị sự cố đến các phụ tải và chỉ số độ nhạy điện áp tại các phụ tải cũng rất quan trọng Những phân tích này đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa hiệu suất lưới điện.

Kết hợp các tiêu chí kinh tế và kỹ thuật là rất quan trọng trong việc quản lý phụ tải trong hệ thống Microgrid Các yếu tố như khoảng cách điện áp và chỉ số độ nhạy điện áp đóng vai trò then chốt để giải quyết bài toán kinh tế và kỹ thuật liên quan đến việc sa thải phụ tải.

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Xây dựng công thức tính toán công suất sa thải tối thiểu cần thiết để điều chỉnh tần số sơ cấp và thứ cấp trong hệ thống Microgrid, nhằm đưa tần số về phạm vi cho phép và khôi phục hoạt động ổn định của hệ thống.

25 lại trạng thái làm việc ổn định của hệ thống với lượng công suất phải sa thải thấp hơn so với các phương pháp truyền thống

Xác định hệ số tầm quan trọng của các đơn vị tải giúp ưu tiên sa thải các phụ tải có hệ số tầm quan trọng thấp, từ đó giảm thiệt hại kinh tế khi thực hiện sa thải phụ tải.

Xác định khoảng cách điện áp từ bus gặp sự cố đến các phụ tải là cần thiết để ưu tiên phân bổ công suất sa thải tối thiểu cho các bus gần bus gặp sự cố hơn.

Xác định chỉ số độ nhạy điện áp tại các đơn vị phụ tải là cần thiết để ưu tiên phân bố công suất sa thải tối thiểu cho những phụ tải có chỉ số điện áp thấp Điều này giúp cải thiện khả năng phục hồi điện áp của hệ thống hiệu quả hơn so với việc phân bố đều công suất sa thải.

Phương pháp sa thải phụ tải được xây dựng dựa trên sự kết hợp của nhiều phương pháp, nhằm đáp ứng các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật Các tiêu chí quan trọng bao gồm hệ số tầm quan trọng, khoảng cách điện áp và chỉ số độ nhạy điện áp Để đánh giá hiệu quả của mô hình sa thải phụ tải, nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên hệ thống Microgrid 16-Bus trong các tình huống mất kết nối với lưới điện chính, sử dụng mô hình hóa và mô phỏng thông qua phần mềm PowerWorld và Matlab.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho học viên cao học, cũng như cho các công ty điện lực và cá nhân quan tâm đến việc nghiên cứu sa thải phụ tải trong hệ thống Microgrid.

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu các phương pháp sa thải là cần thiết để phục hồi tần số hệ thống Microgrid trong giới hạn cho phép khi hệ thống bị ngắt kết nối với lưới điện chính.

Nghiên cứu phương pháp tính toán hệ số tầm quan trọng của các phụ tải, khoảng cách điện áp từ bus bị sự cố mất kết nối lưới đến các phụ tải, cùng với chỉ số độ nhạy điện áp tại các bus là rất cần thiết để đánh giá ảnh hưởng của sự cố đến hệ thống điện Việc xác định các yếu tố này giúp tối ưu hóa khả năng vận hành và nâng cao độ tin cậy của lưới điện.

 Nghiên cứu phương pháp kết hợp đa phương pháp nhằm thực hiện sa thải có xét đến các tiêu chí kinh tế và kỹ thuật.

Đối tượng nghiên cứu

 Các phương pháp sa thải phụ tải trong hệ thống Microgrid

Các phương pháp và thuật toán được áp dụng để xác định lượng công suất sa thải tối thiểu và ưu tiên phân bố công suất cho các đơn vị tải đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện Việc sử dụng các kỹ thuật này giúp nâng cao khả năng quản lý năng lượng và đảm bảo tính ổn định cho lưới điện.

 Mô hình Microgrid điển hình

Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết ổn định tần số hệ thống Microgrid, thuật toán AHP, khoảng cách điện áp và chỉ số độ nhạy điện áp

Xây dựng mô hình sa thải phụ tải nhằm duy trì ổn định tần số hệ thống Microgrid thông qua việc áp dụng các phương pháp phối hợp đa dạng Mô hình này sử dụng thuật toán AHP, kết hợp với khoảng cách điện áp và chỉ số độ nhạy điện áp để tối ưu hóa quá trình sa thải phụ tải.

Nghiên cứu phương pháp điều khiển nhằm duy trì ổn định tần số cho hệ thống Microgrid thông qua việc sa thải phụ tải khi xảy ra sự cố mất kết nối với lưới điện chính.

Luận văn không xem xét chế độ hỗ trợ công suất cho lưới điện khi thiếu hụt nguồn phát từ các nguồn năng lượng phân tán như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và ắc quy, mà coi chúng như các thành phần tải âm.

Phương pháp nghiên cứu

 Phân tích và tổng hợp

 Mô hình hóa và mô phỏng

Nội dung luận văn

Nội dung chính luận văn sẽ chia thành 5 chương

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Chương 3: Phương pháp sa thải phụ tải đề xuất

 Chương 4: Tính toán, thực nghiệm trên sơ đồ hệ thống microgrid điển hình

 Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ổn định tần số trong hệ thống điện

An ninh và ổn định của hệ thống điện là vấn đề quan trọng trong quy hoạch và vận hành, nhằm phục vụ nhu cầu của người sử dụng điện Hệ thống phát, truyền tải và phân phối năng lượng điện cần đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy, chất lượng năng lượng và khả năng cung cấp liên tục Để duy trì hoạt động ổn định, tần số và điện áp phải nằm trong giới hạn cho phép, mặc dù tải liên tục thay đổi gây ra sự không ổn định Công suất phát ra phải luôn bằng với phụ tải tiêu thụ để duy trì trạng thái cân bằng, với tần số hệ thống tỷ lệ thuận với tốc độ máy phát Máy phát điện thường được trang bị bộ điều tốc để kiểm soát tần số Trong trường hợp xảy ra lỗi nghiêm trọng như ngắn mạch ba pha, cần thực hiện hành động điều khiển ba giai đoạn để phục hồi tần số trước khi mất điện Điều khiển sơ cấp sẽ cố gắng xóa sự mất cân bằng công suất trong 15 giây đầu tiên, sau đó điều khiển thứ cấp sẽ khôi phục độ lệch công suất và tần số về giá trị định mức Khi có nhiễu loạn tạm thời, tần số có thể giảm nhanh chóng, do đó cần áp dụng kỹ thuật UFLS để phục hồi tần số và tránh mất điện toàn hệ thống.

Hình 2.1: Điều khiển tần số trong hệ thống điện [21]

Sa thải phụ tải là quá trình loại bỏ ngay lập tức một lượng tải khỏi hệ thống điện nhằm duy trì hoạt động của phần còn lại của hệ thống Điều này xảy ra để ứng phó với các nhiễu loạn như thiếu công suất phát hoặc quá tải, thường do sự cố đường dây, biến áp, mất nguồn phát điện, sự cố chuyển mạch hay sét đánh Khi hệ thống điện gặp nhiễu loạn, phản ứng động được điều khiển qua hai vòng lặp chính: vòng lặp kích từ (bao gồm AVR) điều chỉnh công suất phản kháng và điện áp hệ thống, và vòng lặp chính điều khiển công suất thực của máy phát cùng với tần số hệ thống.

Các kỹ thuật sa thải tải được phân loại thành ba nhóm chính: kỹ thuật tính toán sa thải phụ tải thông minh, kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi và kỹ thuật sa thải phụ tải thông thường Hình 2.2 minh họa các kỹ thuật sa thải tải phổ biến nhất hiện nay.

Hình 2.2: Các phương pháp sa thải phụ tải [21]

Chương trình sa thải tải dưới tần số (UFLS) được thiết kế nhằm bảo vệ hệ thống điện khỏi sự sụt giảm tần số và ngăn chặn sự sụp đổ toàn bộ hệ thống UFLS thực hiện việc sa thải tải một cách có kế hoạch và kiểm soát để đảm bảo tổng công suất phụ tải luôn phù hợp với tổng công suất phát Khi phụ tải vượt quá công suất phát, tần số hệ thống sẽ giảm, và nếu không có biện pháp can thiệp, hệ thống sẽ gặp sự cố UFLS là một công cụ quan trọng giúp duy trì sự ổn định cho hệ thống điện.

Kế hoạch UFLS được thiết lập nhằm ứng phó với các nhiễu loạn trong hệ thống điện, như được ghi nhận trong tài liệu Một ví dụ điển hình là Kế hoạch sa thải tải tần số ngoại vi (Kế hoạch WECC) do Hội đồng điều phối điện miền Tây phát triển, nhằm giải quyết ba sự cố hệ thống xảy ra vào năm 1996 Đến năm 2011, kế hoạch này đã được cập nhật, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quản lý tần số để ngăn chặn sự sụp đổ toàn hệ thống.

Một số mục tiêu chính của chương trình UFLS là:

• Giảm thiểu rủi ro sụp đổ toàn bộ hệ thống

• Bảo vệ thiết bị phát và phương tiện truyền tải chống lại thiệt hại

• Cung cấp sa thải tải hiệu quả trong hệ thống điện để duy trì giảm tần số

• Cải thiện độ tin cậy của hệ thống tổng thể

• Kết hợp máy phát tổng thể với phụ tải tổng thể

• Phối hợp sa thải tải với bảo vệ tần số của các đơn vị phát điện

• Phối hợp sa thải tải với bất kỳ hành động nào khác có thể xảy ra trong điều kiện giảm tần số

• Cơ sở sa thải cho các nghiên cứu về hiệu suất động của hệ thống, sử dụng các kỹ thuật phân tích máy tính tiên tiến nhất

• Giảm thiểu rủi ro khi tách thêm, mất máy phát hoặc sa thải tải quá mức kèm theo điều kiện quá tần số

• Vị trí tải được kiểm soát bởi rơle do khách hàng sở hữu trong đó tải được tính để đáp ứng các yêu cầu sa thải tải tối thiểu

Trong quá trình thiết kế sơ đồ UFLS, những điều sau đây phải được tính đến

• Phải sa thải tải đủ bởi sơ đồ UFLS để giữ tần số hệ thống trong phạm vi hoạt động liên tục của các đơn vị phát

• Tần số động tối thiểu và tối đa cho phép trong khi nhiễu được chỉ định

Trong sơ đồ truyền thống, các khối sa thải cần có khoảng cách tối thiểu giữa các bước là 0,1 Hz hoặc theo giá trị thỏa thuận khác được chỉ định.

• Chỉ định thời gian hoạt động tối đa của rơle tần số cho tốc độ cắt cao

Sa thải tải dưới tần số là biện pháp cần thiết khi xảy ra mất nguồn phát, dẫn đến tần số giảm nhanh chóng do lỗi kỹ thuật hoặc lỗi con người Theo tiêu chuẩn của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE), việc này phải được thực hiện nhanh chóng để điều chỉnh tải hệ thống điện phù hợp với công suất phát có sẵn Các giá trị ngưỡng tần số được đặt ra để thực hiện sa thải tải khi có mất cân bằng công suất, với tần số tối thiểu chấp nhận được thay đổi tùy theo từng hệ thống Để ngăn chặn sự cố toàn bộ hệ thống, rơle UFLS được kích hoạt để sa thải một lượng tải nhất định trước khi tần số giảm xuống dưới ngưỡng đã định Ví dụ về sa thải phụ tải dưới tần số của hội đồng điều độ Florida được trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1: Sơ đồ sa thải phụ tải dưới tần số của hội đồng điều độ Florida [26]

Các bước sa thải dưới tần số Tần số (Hz)

Lượng công suất sa thải (phần trăm của tổng lương tải) (%)

Tổng lượng công suất sa thải(%)

Thuật toán AHP

Phương pháp AHP (Analytic Hierarchy Process) là một kỹ thuật phân tích và tổ chức quyết định phức tạp, kết hợp giữa toán học và tâm lý học, được phát triển bởi Thomas L Saaty vào những năm 1970 Cùng với Ernest Forman, ông đã sáng lập Expert Choice vào năm 1983, và phương pháp này đã được nghiên cứu và cải tiến liên tục AHP cung cấp một cách tiếp cận chính xác để định lượng trọng số của các tiêu chí quyết định, dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia Các chuyên gia sẽ ước tính cường độ tương đối của các yếu tố thông qua các so sánh theo cặp, sử dụng bảng câu hỏi thiết kế đặc biệt để đánh giá tầm quan trọng của từng mục.

AHP (Phân tích Hierarchy Process) không chỉ đơn thuần là tìm ra quyết định "đúng", mà giúp người ra quyết định xác định lựa chọn phù hợp nhất với mục tiêu và hiểu biết của họ về vấn đề Phương pháp này cung cấp một khung toàn diện để cấu trúc vấn đề, đại diện và định lượng các yếu tố liên quan, cũng như đánh giá các giải pháp thay thế Người dùng AHP phân tách vấn đề thành hệ thống phân cấp các yếu tố dễ hiểu, cho phép phân tích độc lập từng phần Các yếu tố này có thể liên quan đến mọi khía cạnh của vấn đề, từ hữu hình đến vô hình Khi hệ thống phân cấp đã được thiết lập, người ra quyết định đánh giá các yếu tố thông qua việc so sánh từng cặp, dựa trên phán đoán về tầm quan trọng của chúng AHP chuyển đổi các phán đoán này thành giá trị số, giúp so sánh và xử lý trên toàn bộ vấn đề Trọng số được tính cho từng yếu tố, cho phép so sánh hợp lý giữa các yếu tố đa dạng Cuối cùng, các ưu tiên số được tính cho từng phương án quyết định, phản ánh khả năng tương đối của các lựa chọn để đạt được mục tiêu, từ đó hỗ trợ việc xem xét các hành động khác nhau.

Các bước của thuật toán AHP có thể được viết như sau: [27]

Bước 1: Thiết lập mô hình phân cấp

Bước 2: Xây dựng ma trận phán đoán

Giá trị của các yếu tố trong ma trận phán đoán phản ánh kiến thức của người dùng về tầm quan trọng tương đối giữa mọi cặp yếu tố

Bước 3: Tính toán trị riêng lớn nhất cùng với vector riêng tương ứng từ ma trận phán đoán Bước 4: Tiến hành xếp hạng thứ bậc và kiểm tra tính nhất quán của các kết quả đạt được.

Việc sắp xếp phân cấp dựa trên giá trị của các thành phần trong vector riêng giúp xác định tầm quan trọng của mối liên hệ giữa các hệ số tương ứng Một chỉ số quan trọng để đánh giá độ chính xác của việc sắp xếp này trong ma trận phán đoán là chỉ số nhất quán.

CI, điều này có thể được hiểu là nếu tiêu chí A quan trong hơn tiêu chí B còn tiêu chí B quan trọng

Tiêu chí A cần được xem là quan trọng hơn tiêu chí C khi 32 hơn tiêu chí C, nhằm đảm bảo ma trận phán đoán đề xuất đạt tiêu chuẩn về chỉ số nhất quán Chỉ số nhất quán trong sắp xếp phân cấp được xác định theo quy trình cụ thể.

Trong bài viết này, chúng ta xem xét ma trận phán đoán, trong đó trị riêng lớn nhất (max) đồng thời là nghiệm lớn nhất của phương trình đặc trưng Hạng của ma trận phán đoán được ký hiệu là n.

Tỷ lệ nhất quán ngẫu nhiên được định nghĩa là

Trong nghiên cứu, RI đại diện cho tập hợp các chỉ số nhất quán ngẫu nhiên trung bình, trong khi CR là tỷ lệ nhất quán ngẫu nhiên Điều này cho thấy rằng mỗi ma trận cùng hạng có thể tạo ra nhiều ma trận khác nhau với các chỉ số nhất quán khác nhau, nhưng chỉ số nhất quán ngẫu nhiên trung bình của chúng là giống nhau Do đó, Biểu thức 2.2 được sử dụng để tính toán tỷ lệ nhất quán ngẫu nhiên cho các ma trận Đối với các ma trận có kích thước từ 1 đến 9, giá trị của RI sẽ được xác định cụ thể.

Bảng 2.2: Chỉ số nhất quán được tạo ngẫu nhiên cho các kích thước khác nhau của ma trận n 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Đối với ma trận có kích thước một hoặc hai, việc kiểm tra tỷ lệ nhất quán ngẫu nhiên là không cần thiết Thông thường, ma trận phán đoán được coi là thỏa mãn khi tỷ lệ nhất quán ngẫu nhiên (CR) nhỏ hơn 0,10.

Muốn hình thành ma trận phán đoán ở bước 2 ta sẽ dựa vào các nguyên tắc cơ bản của AHP như sau:

Nguyên tắc cơ bản của AHP là tính toán trị riêng cho từng lựa chọn thay thế dựa trên các tiêu chí cụ thể Đối với các yếu tố định tính, như tầm quan trọng tương đối của các đơn vị và tiêu chí, trị riêng có thể được xác định thông qua ma trận phán đoán Ma trận này được hình thành từ các phương pháp chia tỷ lệ, chẳng hạn như phương pháp chia tỷ lệ 1-9 Mối quan hệ giữa hai chỉ số hiệu suất A và B có thể được biểu diễn rõ ràng khi áp dụng phương pháp này.

- Nếu cả hai chỉ số A và B quan trọng như nhau thì hệ số tỷ lệ sẽ là “1”

- Nếu chỉ số A quan trọng hơn một chút so với chỉ số B, thì hệ số tỷ lệ của A so với B sẽ là

- Nếu chỉ số A quan trọng hơn chỉ số B, thì hệ số tỷ lệ của A đến B sẽ là “5”

- Nếu chỉ số A quan trọng hơn nhiều so với chỉ số B, thì hệ số tỷ lệ của A so với B sẽ là “7”

- Nếu chỉ số A cực kỳ quan trọng so với chỉ số B, thì hệ số tỷ lệ của A so với B sẽ là “9”

- Các giá trị “2”; “4”;“6”; “8” lần lượt là trung vị của hai phán đoán lân cận

Các giá trị trị riêng lớn nhất và vector riêng tương ứng của ma trận phán đoán ở bước 3 được tính toán bằng 2 phương pháp sau:

(1) Nhân tất cả các phần tử trong mỗi hàng của ma trận phán đoán ij i i X

M   , i = 1, …, n; j = 1, …, n (2.3) Ở đây: n là hạng của ma trận phán đoán A, Xij là phần tử của ma trận A

(2) Tính căn bậc n của Mi n i i M

Từ đó có được Vector W * :

Bằng cách này có được vector riêng của ma trận A như sau:

(4) Tính trị riêng cực đại 𝜆max của ma trận phán đoán

 ( ,j = 1,…, n (2.8) Ở đây: (AW)i đại diện cho thành phần thứ i của vector AW

(1) Chuẩn hóa mọi cột trong ma trận phán đoán

(2) Thêm tất cả các phần tử của mỗi hàng trong ma trận A*

Do đó, có được hàm riêng của ma trận phán đoán A

(4) Tính trị riêng cực đại 𝜆max của ma trận phán đoán max

Trong đó (AW)i đại diện cho phần tử thứ i trong vectơ AW.

Khoảng cách điện áp [28]

Một ma trận suy giảm chứa các số hạng ký hiệu là  ij, thể hiện sự suy giảm điện áp giữa các nút trong hệ thống Mỗi số hạng  ij đo lường mức độ suy giảm điện áp tại nút i do nhiễu loạn tại nút j gây ra Giá trị suy giảm này được tính toán theo biểu thức 2.14 i ij * j.

Việc tính toán ma trận trở kháng [Xbus] có thể gặp khó khăn, do đó có thể thay thế bằng ma trận tổng trở [Zbus] Để đơn giản hóa quá trình tính toán các giá trị  ij, việc sử dụng ma trận là một giải pháp hiệu quả.

Ma trận Jacobian J4 được xác định bởi đạo hàm riêng Q / V Bằng cách đảo ngược ma trận J4, ta có ma trận B = [Q/V]  1, trong đó các phần tử của ma trận B được biểu diễn dưới dạng b = (ij Vi / Qj) Từ đó, các giá trị của ij được tính toán theo công thức ij = bij / bjj.

Sự suy giảm tại nút i do nhiễu loạn từ nút j khác với sự suy giảm tại nút j do nhiễu loạn từ nút i, dẫn đến việc ma trận [α] trở nên không đối xứng.

Khoảng cách điện áp từ nút i đến nút j được tính toán bởi biểu thức 2.15

Để tính toán khoảng cách điện áp giữa hai nút i và j do sự nhiễu loạn gây ra, LAGONOTTE Patrick đã đề xuất biểu thức 2.16, đảm bảo rằng khoảng cách điện áp từ nút i đối xứng với khoảng cách điện áp từ nút j.

Khoảng cách điện áp Dv phụ thuộc vào tỉ số  ij, cụ thể là tỉ lệ X ij / X jj; khi  ij tăng, Dv giảm Đồng thời, giá trị suy giảm điện áp  = V i  ij *  V j cũng bị ảnh hưởng bởi  ij, với suy giảm điện áp lớn hơn khi  ij cao Do đó, có thể kết luận rằng khi xảy ra sự cố tại một nút, sự suy giảm điện áp tại các nút khác sẽ tỷ lệ thuận với khoảng cách điện áp Dv so với nút gặp sự cố.

Trong bài toán sa thải phụ tải, sự suy giảm điện áp tỷ lệ thuận với kích thước của các cố càng nhỏ Do đó, để phân bố công suất sa thải hiệu quả, cần xem xét khoảng cách điện áp giữa các nút Những nút có khoảng cách điện áp nhỏ hơn so với nút bị sự cố sẽ cần sa thải nhiều hơn, trong khi những nút khác sẽ sa thải ít hơn.

Chỉ số độ nhạy điện áp (VSI )

Điện áp là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng và độ ổn định của hệ thống điện Chỉ số độ nhạy điện áp (VSI) được sử dụng để xác định sự nhạy cảm về điện áp của các bus trong hệ thống Mục tiêu chính của việc tính toán độ nhạy điện áp là xác định nút nhạy cảm của hệ thống từ góc độ độ nhạy điện áp.

Khi mất kết nối với lưới điện chính, sự chênh lệch giữa công suất phát và công suất phụ tải gây ra giảm tần số và điện áp Việc sa thải phụ tải là cần thiết để phục hồi tần số và điện áp về mức cho phép Để tối ưu hóa khả năng phục hồi hệ thống, cần xác định vị trí các bus tải và ưu tiên sa thải tại những bus có chỉ số độ nhạy điện áp thấp nhất, vì chúng nhạy cảm hơn Chỉ số độ nhạy điện áp tại bus i được tính theo biểu thức 2.17 [30].

(2.17) Ở đây: Vk là điện áp tại nút thứ k th và n là số nút

PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI ĐỀ XUẤT

TÍNH TOÁN, THỰC NGHIỆM TRÊN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	6,18 MB