Embed Size (px)
DESCRIPTION
Nghiên cứu áp dụng bài toán OPF trong thị trường điện
Citation preview
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
ðẠI HỌC ðÀ NẴNG
NGUYỄN LÊ ðỊNH
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BÀI TOÁN OPF
TRONG THỊ TRƯỜNG ðIỆN
Chuyên ngành: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ðIỆN
Mã số: 60.52.50
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ KIM HÙNG
ðà Nẵng – Năm 2006
2
Công trình ñược hoàn thành tại:
Trường ðại học Bách khoa, ðại học ðà Nẵng
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ KIM HÙNG
Phản biện 1:............................................................
Phản biện 2:............................................................
Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm luận văn thạc sĩ
kỹ thuật họp tại: ðại học ðà Nẵng vào hồi.......giờ,
ngày........tháng.........năm 2006.
Có thể tìm ñọc luận văn tại:
- Trung tâm thông tin tư liệu, ðại học ðà Nẵng
- Trung tâm học liệu, ðại học ðà Nẵng
3
MỞ ðẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Hình thành và phát triển thị trường ñiện lực cạnh tranh là xu thế
tất yếu ñang diễn ra ở nhiều nước trên thế giới. Ở nước ta, ñể hội
nhập kinh tế quốc tế và khu vực, ngay từ bây giờ, phải từng bước
nghiên cứu, xây dựng và phát triển thị trường ñiện lực cạnh tranh.
2. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nhà cung cấp: gồm các dữ liệu liên quan ñến hàm chi phí, giới
hạn công suất cung cấp, vị trí kết nối vào lưới ñiện. Nhà tiêu thụ:
gồm các dữ liệu hàm lợi ích, vị trí kết nối vào lưới ñiện. Mạng lưới
ñiện: gồm dữ liệu ñường dây, giới hạn khả năng tải của ñường dây,
nút kết nối lưới ñiện.
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Áp dụng bài toán OPF khi trên hệ thống có thiết bị FACTS.
Nghiên cứu hành vi chào giá trong thị trường ñiện. Áp dụng bài toán
OPF với sự giao dịch của những người tham gia thị trường ñiện. Áp
dụng bài toán OPF ñể quản lý nghẽn mạch trong thị trường ñiện.
4. Mục ñích của bài toán OPF
Thứ nhất, ñặc ñiểm chung của OPF là cực tiểu các chi phí của hệ
thống ñiện ñể ñáp ứng nhu cầu phụ tải nhưng phải duy trì ñộ an toàn
của hệ thống. Thứ hai, OPF xác ñịnh dữ liệu chi phí biên của hệ
thống [2][4].
5. Gói chương trình MATPOWER
MATPOWER là một gói chương trình gồm các tập tin *.m của
MATLAB dùng ñể giải các bài toán PF và bài toán OPF [25][38].
Luận văn sử dụng MATPOWER ñể giải bài toán tối ưu công suất với
các ràng buộc và các kết quả tính toán trong luận văn này ñược thực
4
hiện trong môi trường MATLAB 7.0.4 R14SP2 (Release 14 with
Service Pack 2).
6. Bố cục luận văn
Phần mở ñầu, nêu lý do chọn ñề tài, mục ñích nghiên cứu, ñối
tượng và phạm vi nghiên cứu. Giới thiệu chung về lộ trình hình
thành thị trường ñiện ở Việt Nam. Nêu lên sự cần thiết của bài toán
OPF và sử dụng MATPOWER làm công cụ nghiên cứu trong luận
văn này.
Chương một, tổng quan ngành ñiện Việt Nam giai ñoạn 2001-
2005, hướng ñến năm 2020. Trình bày thị trường ñiện và cấu trúc
của nó. Nêu cơ sơ ứng dụng bài toán OPF trong ñó có ñề cập ñến
thuật toán tối ưu có sự tham gia của nhà tiêu thụ. Cơ sở phân tích giá
nút và nêu lên vấn ñề nghẽn mạch truyền tải. Chương này có ñưa ra
một vài ví dụ ñơn giản, dễ hiểu ñể minh họa.
Chương hai, áp dụng bài toán OPF khi trong lưới ñiện có các dịch
vụ phụ trợ như máy biến áp dịch pha, thiết bị FACTS. Sử dụng các
dịch vụ phụ trợ này là một trong những phương pháp quản lý nghẽn
mạch truyền tải. Chương này có xây dựng mô hình 7 nút, sử dụng
TCSC ñể làm giảm nhẹ nghẽn mạch.
Chương ba, áp dụng bài toán OPF ñể miêu tả hành vi chào giá
của những người tham gia giao dịch trong thị trường ñiện ở dạng ñơn
giản và phương pháp quản lý nghẽn mạch truyền tải. Chương này
nghiên cứu trên các mô hình 7 nút, 14 nút và nghiên cứu trên mô
hình 30 nút của IEEE.
Chương bốn, kết luận và hướng phát triển của ñề tài.
5
Chương 1
THỊ TRƯỜNG ðIỆN, OPF VÀ NGHẼN MẠCH TRUYỀN TẢI
1.1. Tổng quan ngành ñiện Việt Nam giai ñoạn 2001-2010, ñịnh
hướng ñến 2020
Ngày 5 tháng 10 năm 2004 Thủ tướng Chính phủ ñã ký quyết
ñịnh số 176/2004/Qð-TTG phê duyệt chiến lược phát triển ngành
ðiện Việt Nam giai ñoạn 2004-2010, ñịnh hướng ñến 2020. Mùa
xuân Bính Tuất (2006), nhân dịp Tổng bí thư Nông ðức Mạnh và
ñoàn công tác ñến thăm và làm việc tại EVN, EVN ñã báo cáo một
số kết quả chính ñã ñạt ñược và ñịnh hướng phát triển ñiện lực trong
tương lai.
Giai ñoạn 2001-2005: ñã hoàn thành sớm trước thời hạn chỉ tiêu
ñiện sản xuất và ñiện thương phẩm của kế hoạch 5 năm.
ðịnh hướng phát triển ñến năm 2020: ðáp ứng ñầy ñủ nhu cầu
ñiện cho phát triển kinh tế - xã hội. Phấn ñấu ñến năm 2010 sản
lượng ñiện thương phẩm khoảng 97 tỷ kWh, năm 2020 ñạt sản lượng
260 tỷ kWh và ñến năm 2025 ñạt 380 tỷ kWh. ðiện sản xuất năm
2010 ñạt 112 tỷ kWh, năm 2020 ñạt 290 tỷ kWh và năm 2025 ñạt
430 tỷ kWh. ðưa ñiện năng bình quân ñầu người từ 550 kWh/người
năm 2005 lên 2600 kWh/người năm 2020 và 3.700 kWh/người năm
2025.
1.2. Thị trường ñiện
1.2.1. ðặt vấn ñề
ðối với các quốc gia ñang phát triển, vấn ñề chính là phụ tải tăng
nhanh kết hợp với việc quản lý hệ thống không hiệu quả và các chính
sách thuế không hợp lý. ðiều này ảnh hưởng khả năng nguồn tài
chính ñể hỗ trợ ñầu tư trong việc cải tạo nâng cấp công suất phát ñiện
6
và khả năng truyền tải. Hoàn cảnh ñã bắt buộc nhiều quốc gia phải
sắp xếp lại ngành ñiện của họ dưới sức ép của các tổ chức ñầu tư
quốc tế.
Mặt khác, ở các quốc gia phát triển, vấn ñề ñặt ra là phải cung cấp
ñiện năng với giá thấp hơn và tạo ñiều kiện cho nhà tiêu thụ có nhiều
lựa chọn hơn trong việc mua ñiện năng giá rẻ.
1.2.2. Các mô hình thị trường ñiện
Năm 1996, Hunt và Shuttleworth [34] ñã ñưa ra bốn mô hình thị
trường ñiện.
Mô hình 1: ðộc quyền liên kết dọc.
Mô hình 2: Duy nhất một ñại lý mua bán sỉ.
Mô hình 3: Cạnh tranh bán buôn.
Mô hình 4: Cạnh tranh bán lẻ.
1.2.3. Cấu trúc thị trường ñiện
Hình 1.1 chỉ ra cấu trúc ñiển hình của thị trường ñiện với các liên
kết thông tin và dòng tiền tệ giữa những người tham gia thị trường.
Cấu hình chỉ ra trong hình vẽ không phải là phổ biến, mà có sự khác
nhau tuỳ thuộc vào mỗi quốc gia và hệ thống lưới ñiện.
1.2.4. ðấu giá ñiện năng và chào giá cạnh tranh
Trong thị trường ñiện cạnh tranh, nhà cung cấp và nhà tiêu thụ
ñưa ra giá chào ñể mua và bán ñiện năng. Sự chào giá, nói chung,
theo hình thức bảng dự kê giá và công suất, ñịnh rõ cách thức mà nhà
cung cấp hoặc nhà tiêu thụ sẽ mua hoặc bán ñiện năng tại một mức
giá. Sau khi bản chào giá ñã sẵn sàng gửi ñến ñơn vị ñiều hành thị
trường, nó ổn ñịnh thị trường trên cơ sở vài tiêu chuẩn. Một khi thị
trường ñược minh bạch, tất cả những người tham gia bán ñiện sẽ
nhận cùng mức giá ñối với lượng công suất ñã bán, nghĩa là giá thị
trường từ những người tham gia mua ñiện năng.
7
1.2.5. Thị trường ñiện tập trung
Mô hình thị trường ñiện tập trung dựa trên một sự dàn xếp tập
trung ñể thu ñược hiệu quả kinh tế tối ưu của thị trường. ðặc trưng
chính của thị trường ñiện tập trung là công suất ñược bán thông qua
thị trường chứ không mua bán trực tiếp giữa nhà sản xuất và khách
hàng tiêu thụ. Thị trường ñược ñiều hành hoặc bởi ñơn vị ñiều hành
giao dịch hoặc một cách trực tiếp bởi ISO. Khi giá chào thầu ñược
ñưa ra, người ñiều hành thị trường chạy chương trình OPF có xem
xét các ràng buộc của lưới ñiện. Mục tiêu của chương trình OPF là
cực tiểu tổng chi phí hay cực ñại phúc lợi xã hội. OPF tính toán giá
giao ngay tại mỗi nút của lưới ñiện cũng như số lượng công suất mà
mỗi thành phần tham gia thị trường ñã cung cấp hoặc ñã mua. Khách
hàng và nhà cung cấp ñược làm hoá ñơn giá giao ngay của nút tương
ứng với lượng công suất giao dịch.
1.2.6. Hoạt ñộng chào giá ở Việt nam trong giai ñoạn ñầu của thị
trường ñiện
Trước 10 giờ sáng hàng ngày, các nhà máy ñiện ñồng loạt gửi bản
công bố công suất và chào giá về A0. Các bản chào gồm công suất
và giá tương ứng cho từng tổ máy ứng với từng giờ (từ 0 giờ ñến 24
giờ) của ngày hôm sau. ðến 14 giờ, căn cứ vào bản chào của các nhà
máy và dự báo nhu cầu phụ tải, A0 lập phương thức và gửi các nhà
máy lịch huy ñộng ngày hôm sau (bao gồm công suất phát dự kiến
của từng tổ máy cho từng giờ và tổng chi phí ñiện năng của toàn hệ
thống). Căn cứ vào bản chào theo nguyên tắc nhà máy có giá rẻ ñược
huy ñộng trước, giá cao ñược huy ñộng sau, cho ñến khi ñáp ứng
ñược yêu cầu dự báo và công bố giá mua ñiện vào 15 giờ cùng ngày.
8
1.3. Bài toán OPF trong hệ thống ñiện
1.3.1. ðặt vấn ñề
Chương trình tính toán OPF là công cụ có ích ñối với các ngành
dịch vụ và nền công nghiệp năng lượng. Kết quả phân tích bài toán
OPF là những thông số kiểm soát hệ thống. Việc kiểm soát này ñưa
hệ thống vào trạng thái tối ưu với các mục tiêu xác ñịnh.
1.3.2. Công thức toán học và các ñiều kiện tối ưu
OPF là bài toán tối ưu phi tuyến và có dạng chung như sau
[4][9][11]: min ( )F x
tuỳ thuộc vào: ( ) =G x 0
( ) ≤H x 0
ðiều kiện tối ưu trình bày theo hàm Lagrange:
( ) ( ) ( ) ( )L , , F= + +x λ µ x G x λ H x µ (1.1)
ðiều kiện ñể L ñạt ñược giá trị cực tiểu ñịa phương là:
( )
( ) ( )
L
L
, ,
∂=
∂∂
= =∂
= ≤ ≥
0x
G x 0λ
H x µ 0 H x 0 µ 0
(1.2)
1.3.3. Giải bài toán OPF
Loại 1: các thuật toán này sử dụng thuật toán PF tách biệt với
thuật toán tối ưu hoá.
Loại 2: các phương trình công suất ñược tích hợp trong thuật toán
tối ưu như là các ràng buộc ñẳng thức.
1.4. Cực ñại phúc lợi xã hội dùng OPF
ðể cực ñại phúc lợi xã hội trong phạm vi hệ thống ñiện, hàm mục
tiêu ñối với OPF truyền thống chỉ cần sửa ñổi có tính ñến hàm lợi ích
9
của nhà tiêu thụ B( )d . Do ñó, vấn ñề vận hành hệ thống ñiện là bài
toán OPF:
min ( )F , C( ) B( )= −g d g d (1.3)
tuỳ thuộc vào: ( ), , ∆= − + =G x g d Ł g d 0 (1.4)
( )
max
min
max
min
max
min
max
, ,
− − −
= − ≤
−
−
−
S S
V V
V V
H x g d g g 0
g g
d d
d d
(1.5)
Hàm Lagrange có thể viết dưới dạng tổng quát:
( ) ( ) ( ) ( )L , , , , F , , , , ,=x g d λ µ g d +G x g d λ +H x g d µ
Vấn ñề cực tiểu có thể ñược xác ñịnh bằng cách giải bài toán với
các ñiều kiện Krush-Kuhn-Tucker:
( ) ( ), , , ,L ∂ ∂ ∂= + ∂ ∂ ∂
G x g d H x g dλ µ = 0
x x x
( ) ( ) ( )F , , , , ,L ∂ ∂ ∂ ∂= + + ∂ ∂ ∂ ∂
g d G x g d H x g dλ µ = 0
g g g g
( ) ( ) ( )F , , , , ,L ∂ ∂ ∂ ∂= + + ∂ ∂ ∂ ∂
g d G x g d H x g dλ µ = 0
d d d d
( )L, ,
∂= =
∂G x g d 0
λ
10
( ) ( ), , , ,; ≤ ; ≥H x g d µ = 0 H x g d 0 µ 0
Nghiệm có ñược từ việc giải các phương trình trên sẽ là kết quả
cực ñại hoá (hoặc cực tiểu mang dấu âm) phúc lợi xã hội ñối với thị
trường ñiện.
1.5. Phân tích giá nút
1.5.1. ðặt vấn ñề
Nói chung, cơ sở của giá nút là chi phí phát ñiện hay chi phí sản
xuất. Tổn thất hệ thống ñiện dẫn ñến sự khác nhau của giá nút, phụ
thuộc vào vị trí. Hơn nữa, nghẽn mạch hệ thống có ý nghĩa lớn khi
tính toán giá nút.
1.5.2. Xác ñịnh giá nút
Giá tại mỗi nút phản ánh giá trị của ñiện năng tại vị trí gồm có chi
phí phát ñiện biên, chi phí tổn thất biên và chi phí nghẽn mạch truyền
tải biên [11][13][16]. Giá nút ñược xác ñịnh bằng cách tính toán chi
phí tăng thêm của việc cung cấp thêm 1 MW của phụ tải tại mỗi vị trí
tương ứng phụ thuộc vào các ràng buộc của hệ thống (như giới hạn
truyền tải, công suất phát cực ñại...). ðộ chênh lệch giá giữa các nút
phản ánh chi phí truyền tải.
1.5.3. Phân tích giá nút
Mục ñích của phần này, trước tiên, là chia giá nút thành hai phần:
phát ñiện-tổn thất và nghẽn mạch. Với mục ñích này, ñiều cần thiết
là phải chọn một nút r trong hệ thống làm nút cân bằng (nút tham
chiếu). Bài toán OPF của (1.3), (1.4) và (1.5) có thể ñược biểu diễn
như sau [13][16][33]:
min ( )F ,g d
sao cho:
( )r r r r, , , =G x g d x 0
11
( ), , =G x g d 0 (1.6)
( ), , ≤H x g d 0
Trong ñó: ( )r r r r, , ,G x g d x là vectơ ràng buộc ñẳng thức tại
nút cân bằng r. Kể từ ñây, trong vectơ ( ), ,G x g d không chứa các
phương trình của nút cân bằng r. Tương tự, các vectơ , ,x g d không
chứa các biến số r r r, ,x g d của nút cân bằng r; λ không chứa rλ .
ðể thuận tiện trong việc phân tích, ta ñặt vectơ
[ ]Tr r r, , , , ,=z x g d x g d , khi ñó (1.7) ñược viết lại như sau:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )r r rL , , , F=z λ λ µ z +G z λ +G z λ +H z µ (1.8)
Xét ñạo hàm riêng phần theo biến số [ ]T,=x θ V ta có:
( ) ( ) ( )rr
∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂
G z G z H zλ + λ + µ = 0
x x x (1.10)
Giải phương trình (2.10) ta có nghiệm λ chứa hai thành phần giá
nút:
( ) ( ) ( ) ( )1 1r
r
− − ∂ ∂ ∂ ∂
− − ∂ ∂ ∂ ∂
G z G z G z H zλ = λ µ
x x x x (1.11)
Trong (1.11), vectơ λ chứa giá nút của công suất tác dụng và
phản kháng ñối với mọi nút trong hệ thống ngoại trừ nút cân bằng r,
nó gồm hai thành phần ñược biểu diễn như sau:
+ GLλ là thành phần phát ñiện-tổn thất.
( ) ( )1r
GL r
−∂ ∂
= − ∂ ∂
G z G zλ λ
x x (1.12)
+ Cλ là thành phần nghẽn mạch.
( ) ( )1
C
−∂ ∂
= − ∂ ∂
G z H zλ µ
x x (1.13)
12
Do ñó: GL C+λ = λ λ (1.14)
Cuối cùng, ta phân tích GLλ ra làm hai phần: thành phần phát
ñiện và thành phần tổn thất. Tại nút cân bằng r, ta có:
GLr Gr Lr= +λ λ λ (1.15)
Trong ñó: Gλ là thành phần giá nút do bởi phát ñiện; Lλ là
thành phần giá nút do bởi tổn thất.
ðiều kiên tiên quyết là giá nút tại nút cân bằng (nút tham chiếu)
chỉ có duy nhất thành phần phát ñiện [2][32]. Tại nút cân bằng, việc
tăng phụ tải biên có thể ñược khống chế bằng cách huy ñộng công
suất máy phát tại nút cân bằng. Do ñó, việc tăng phụ tải biên tại nút
cân bằng không phát sinh thêm tổn thất công suất. Chính vì vậy:
Lrdr
∆P0
P∂
= =∂
λ (1.16)
Từ (1.15) và (1.16), ta có: GLr Gr=λ λ (1.17)
Từ ñây, thành phần phát ñiện-tổn thất của giá nút tại nút bất kỳ
của hệ thống, ñược minh hoạ bằng phương trình sau [32]:
GL Gr L= +λ λ λ (1.18)
Từ (1.14) và (1.17), giá nút gồm ba thành phần: thành phần
phát ñiện tại nút cân bằng, thành phần tổn thất biên và thành phần
nghẽn mạch truyền tải. ðiều này ñược minh hoạ bởi phương trình
sau: Gr L C+ +λ = λ λ λ (1.19)
1.6. Nghẽn mạch truyền tải trong thị trường ñiện
1.6.1. ðặt vấn ñề
Quản lý nghẽn mạch là một trong những thách thức trong hệ
thống nhiều nhà cung cấp và nhiều nhà tiêu thụ [35]. Việc này không
ñơn giản trong thị trường ñiện. Giả sử trong thị trường ñiện, mỗi nhà
tiêu thụ ở phía Nam muốn mua ñiện giá rẻ từ nhà máy thuỷ ñiện ở
phía Bắc, các nhà cung cấp ở phía Bắc cũng muốn bán ñiện cho các
13
nhà tiêu thụ ở phía Nam. Nếu có nhiều kiểu mua bán như vậy sẽ dẫn
ñến quá tải ñường dây.
1.6.2. Xác ñịnh nghẽn mạch
Bất kể khi nào, ràng buộc vật lý hoặc ràng buộc vận hành trong
lưới truyền tải bị vi phạm thì hệ thống ñược coi là ñang ở trạng thái
nghẽn mạch. Các giới hạn trong vấn ñề nghẽn mạch là giới hạn nhiệt
của ñường dây, mức cảnh báo của máy biến áp, giới hạn ñiện áp nút,
ổn ñịnh quá ñộ hoặc ổn ñịnh dao ñộng.
1.6.3. Tầm quan trọng của việc quản lý nghẽn mạch trong thị
trường ñiện
Luật Kirchoff kết hợp với ñộ lớn và vị trí của nguồn phát và phụ
tải, trở kháng ñường dây và hình dạng lưới ñiện xác ñịnh nên dòng
công suất trên mỗi ñường dây. Do ñó, các ràng buộc an toàn hệ
thống ñiện cần phải có một sự thay ñổi kế hoạch phát ñiện từ việc
huy ñộng công suất hiệu quả nhất. Tuy nhiên, trong cấu trúc thị
trường ñiện, với việc các công ty phát ñiện (GenCos) cạnh tranh
trong môi trường tự do kết nối vào lưới truyền tải, việc phát ñiện hay
phân bố công suất có thể thay ñổi rất nhiều trong một thời gian ngắn
với tác ñộng của thị trường. Trong tình huống ñó, cần thiết phải phối
hợp quản lý nghẽn mạch nhằm ñảm bảo hệ thống vận hành an toàn.
1.6.4. Ảnh hưởng của nghẽn mạch
Hiệu quả thị trường ñược ño lường bởi phúc lợi xã hội của nó.
Phúc lợi xã hội là sự kết hợp của chi phí ñiện năng và lợi ích ñiện
năng ñối với xã hội cũng như ñược ño lường bởi sự bằng lòng thanh
toán lượng ñiện năng tiêu thụ của xã hội. Sự khác nhau trong phúc
lợi xã hội giữa một thị trường hoàn toàn và một thị trường thật là
việc ño lường hiệu quả của thị trường thật. Tác dụng của nghẽn mạch
truyền tải làm cho thị trường không hiệu quả.
14
Chương 2
BÀI TOÁN OPF KHI HỆ THỐNG ðIỆN CÓ THIẾT BỊ FACTS
2.1. ðặt vấn ñề
Mạng truyền tải ñiện ngày càng bị thúc ép về giới hạn truyền tải.
Cùng với việc phát triển của ngành công nghệ ñiện tử, các thiết bị
FACTS có ảnh hưởng ñáng kể trong việc ñiều khiển phân bố công
suất [26]. Về phương diện mô hình, ñiều khiển phân bố công suất
dùng thiết bị FACTS là thích hợp.
2.2. Mô hình ñường dây
iI.
jI.
iV.
jV.
ijI.
iiI.
jjI.
cii
jBY
2=
.c
jjjB
Y2
=.
D Dij
1Y
R jX=
+
.
Hình 2.1 Mô hình dường dây
2.3. Mô hình máy biến áp có ñiều chỉnh
iI.
jI.
iV.
jV.
ijI.
iiI.
jjI.
shij jθ
1Y Y
τe=
. .
sh2ii jθ
1 1Y Y
τ τe
= −
. .
shjj jθ
1Y Y 1
τe−
= −
. .
Hình 2.3 Mô hình máy biến áp
2.4. Mô hình tĩnh của thiết bị FACTS
2.4.1. Bộ bù nối tiếp ñiều khiển bằng Thyristor
15
iI.
jI.
iV.
jV.
ijI.
iiI.
jjI.
cjB
2cjB
2
( )D Dij
c
1Y
R j X B=
+ −
.
Hình 2.5 Mô hình của TCSC
2.4.2. Bộ ñiều chỉnh góc pha ñiều khiển bằng Thyristor
iI.
jI.
iV.
jV.
ijI.
iiI.
jjI.
shij jθ
1Y Y
τe=
. .
( )sh2
jθ cjB 1Y 1 τe
2 τ
− − +
.
sh
cjθ
jB1Y 1
2τe− − +
.
Hình 2.7 Mô hình của TCPAR
2.4.3. Bộ bù công suất phản kháng tĩnh Nút i Nút i
C
L
s sG jB+sV
Hình 2.8 Mô hình của SVC
16
2.5. Công thức toán học
Dòng ñiện và ñiện áp nhánh tại nút ñầu (nút i) và nút cuối (nút j)
của nhánh liên hệ với ma trận tổng dẫn nhánh nh.Y như sau:
i inh
j j
VI
VI
=
...
..Y
với sh
sh
c2 jθ
nhc
jθ
jB 1 1Y Y
2 τ τe
jB1Y Y
2τe−
+ −
= − +
. .
.
. .Y và
1Y
R jX=
+
.
2.6. Áp dụng OPF
( )g
i giP imin C P∑
tuỳ thuộc vào:
( )i gi diP θ,V P P 0− + =
( )i gi diQ θ,V Q Q 0− + =
( ) maxij ijS θ,V S≤
min maxi i iV V V≤ ≤
min maxgi gi giP P P≤ ≤
min maxgi gi giQ Q Q≤ ≤
2.7. Trường hợp nghiên cứu
Xét mô hình lưới ñiện như Hình 2.9, các tham số của máy phát
ñiện, ñường dây và phụ tải cho ở Phụ lục A. Luận văn sẽ trình bày
kết quả của ba tình huống khác nhau: thứ nhất, không có TCSC; thứ
hai, có TCSC; thứ ba, có TCSC với mức bù cao hơn.
17
Tình huống không có TCSC: ðường dây 2-6 và 5-6 bị nghẽn
mạch truyền tải. Trong vùng B giá nằm ở lân cận 21.47 $/MW; còn
trong hai vùng A, C giá nằm ở lân cận 17 $/MW. Tổng chi phí là cao
nhất, 21972.62 $/MW.
Tình huống có TCSC bù mức 1: ñặt TCSC trên ñường dây 2-7
với mức bù XTCSC = 0.02 p.u. Trong khi giá nút ở vùng A tăng lên thì
giá nút ở vùng B và C giảm xuống do tăng lượng công suất truyền tải
từ vùng A vào vùng B. Tổng chi phí giảm xuống còn 21885.97
$/MW.
Tình huống có TCSC bù mức 2: Nếu ta tăng gấp 2.5 lần so với
TCSC bù mức 1 với XTCSC = 0.05 p.u thì không còn xảy ra nghẽn
mạch trên ñường dây 2-6 và 5-6 như Hình 2.14. Việc loại trừ nghẽn
mạch trong lưới ñiện làm cho giá nút gần bằng nhau trong toàn hệ
thống như ñã chỉ ra ở cột thứ năm (“TCSC bù mức 2”) trong Bảng
2.1. Tổng chi phí là thấp nhất, 21779.26 $/MW.
Các kết quả này chỉ ra rằng, TCSC có thể nâng cao phúc lợi
xã hội và làm giảm giá nút ở những vùng có giá cao bằng cách
tăng khả năng truyền tải giữa các vùng nghẽn mạch.
Chương 3
ÁP DỤNG OPF ðỂ CHÀO GIÁ VÀ QUẢN LÝ NGHẼN MẠCH
TRONG THỊ TRƯỜNG ðIỆN
3.1. Phân tích các thay ñổi phúc lợi xã hội
3.1.1. ðặt vấn ñề
Thị trường ñiện cạnh tranh hoàn toàn gồm có các nhà sản xuất và
khách hàng tiêu thụ ñiện năng. Trong một thị trường hoàn hảo, giá
ñược thiết lập tại chi phí biên của sản phẩm, không một công ty hay
nhà máy nào có thể nâng giá hoặc hạ giá thị trường thông qua hành
ñộng ñơn phương hay phối hợp; thị trường xác ñịnh giá trên cơ sở
18
cung và cầu; không có rào cản ñầu vào và ñầu ra của thị trường
[10][34].
3.1.2. Mô hình tiêu thụ ñiện
Cầu là mối quan hệ tồn tại giữa giá của hàng hoá và số lượng
hàng hoá cần trong một thời gian cho trước, các yếu tố khác không
ñổi.
3.1.3. Mô hình cung cấp ñiện
Cung là mối quan hệ trực tiếp giữa giá một hàng hoá và lượng
cung hàng hoá trong một giai ñoạn cho trước, các yếu tố khác không
ñổi. ðường cung thị trường là tổng các ñường cung nằm ngang của
mỗi cá thể ñược minh hoạ ở Hình 3.3.
3.1.4. Cân bằng thị trường
ðường cầu thị trường và ñường cung thị trường giao nhau tại
ñiểm cân bằng như Hình 3.4, tại ñó số lượng cầu hàng hoá tương
ñương số lượng cung hàng hoá và tại mức giá này, mỗi người mua có
thể mua tất cả những gì mà người mua mong muốn và mỗi người bán
có thể bán tất cả những gì mà người bán muốn bán.
3.1.5. Thặng dư
ðối với nhà cung cấp, lợi nhuận của nhà cung cấp là tổng thu
nhập trừ ñi các chi phí [34], ñược viết:
( )Π пP C P= −
ðể xác ñịnh cực ñại hàm lợi nhuận, tập ñạo hàm của nó với biến
số P phải bằng 0:
( )C PΠ пп P 0
P P P
∂∂ ∂= + − =
∂ ∂ ∂
Nhà cung cấp không thể tác ñộng ñến giá của thị trường bởi vì nó
là cạnh tranh hoàn toàn, vì vậy: п
0P
∂=
∂. Do ñó, ñiều kiện cần thiết
19
ñể tối ña hoá lợi nhuận là ( )C P
пP
∂=
∂, nghĩa là nhà cung cấp phải
ñưa ra sự chào giá tương ứng với chi phí biên của nó.
MC
D
$/MWh
MW
CS
PS
P0
0п
Hình 3.5 Mối liên hệ giữa giá và công suất
Thặng dư của khách hàng tương ứng với vùng CS, thặng dư của
nhà cung cấp tương ứng với vùng PS. Tổng thặng dư là vùng (CS +
PS). Ta có thể thay ñổi các vùng thặng dư bằng cách thay ñổi nhu
cầu hoặc giá. Việc giảm ñường MC tương ứng với thặng dư của nhà
cung cấp tăng lên, do ñó sản sinh ra nhiều thu nhập hơn cho nhà
cung cấp.
Thị trường ñiện ñược hình thành mà trong ñó người cung cấp ñưa
ra ñường chào giá tuyến tính như Hình 3.6.
MC
$/MWh
MW
2cb
Hình 3.6 Chào giá cung cấp ñiện phụ thuộc tuyến tính
20
ðường cong chi phí phát ñiện có dạng ( ) 2C P a bP cP= + + .
Chào giá chi phí biên thật của nhà cung cấp có dạng
( )п 2cP b $ /MWh= + , với п là giá giao ngay mà nhà cung cấp
nhận ñược trong thị trường và P là công suất phát của nhà máy ñiện.
Với sự chào giá này, ñể thử nghiệm mô hình thị trường, các giá
chào ñược chọn lớn hơn hay nhỏ hơn vài phần trăm chi phí biên thật.
ðể chào giá lớn hơn k lần chi phí biên thật, nhà cung cấp cần ñưa ra
một chào giá mới thoả mãn ( )п 2kcP kb $ /MWh= + .
Hình 3.7 chỉ ra sự chào giá lớn hơn k lần giá chào chi phí biên
thật.
$/MWh
MW
2cbkb
2kc
Hình 3.7 Chào giá lớn hơn k lần chi phí biên thật
3.2. Phân tích thành phần nghẽn mạch [16][33]
Trong (1.13), vectơ Cλ là vectơ cột gồm thành phần nghẽn mạch
của giá nút ñối với công suất tác dụng và phản kháng của mọi nút
trong hệ thống ngoại trừ nút cân bằng r. Xét hệ thống có n nút, ngoại
trừ nút cân bằng r, ta xét m n 1= − nút còn lại của hệ thống. Ta có: T
C Cp Cp Cp Cq Cq Cq1 i m 1 i mλ , ,λ , ,λ ,λ , ,λ , ,λ = λ K K K K (3.1)
Trong ñó: Cpiλ là thành phần nghẽn mạch của giá nút ñối với
công suất tác dụng tại nút i; Cqiλ là thành phần nghẽn mạch của giá
nút ñối với công suất phản kháng tại nút i.
ñường chi phí biên thật
21
Mặt khác, véctơ cột µ bao gồm các hệ số Lagrange ứng với các
ràng buộc ñộ lớn ñiện áp nút và các giới hạn công suất ñường dây.
Nếu hệ thống có l ñường dây thì µ có thể biểu diễn như sau:
TV V V V
V V
µ , ,µ , ,µ ,µ ,
,µ , ,µ ,µ , ,µ , ,µ
1max1min imin nmin
L L Lnmaximax 1 j
µ = K K K
K K K Kl
(3.2)
Trong ñó: Vµ iminlà hệ số Lagrange ứng với giới hạn dưới của
ñộ lớn ñiện áp tại nút i; Vµ imaxlà hệ số Lagrange ứng với giới hạn
trên của ñộ lớn ñiện áp nút i; µLj là hệ số Lagrange ứng với giới
hạn công suất của ñường dây j.
Mục ñích của việc phân tích này là ñánh giá sự phân bố của mỗi
nghẽn mạch ñến thành phần nghẽn mạch của giá nút. Với mục ñích
này ta thiết lập ma trận Μ với ñường chéo là vectơ µ như sau:
( )diagΜ = µ (3.7)
Từ ñây ta thiết lập một ma trận mới Λ có dạng sau ñây:
pVmin pVmax pL
qVmin qVmax qL
Λ Λ ΛΛ = ΑΜ =
Λ Λ Λ (3.8)
3.3. Áp dụng OPF ñể quản lý nghẽn mạch [15][31][35]
Việc sử dụng OPF và LMP ñã ñược ñưa vào thực tiễn ñể quản lý
nghẽn mạch ở một số quốc gia trên thế giới [4]. Nhà cung cấp gởi
hàm chi phí phát ñiện, ñược xem như hàm chào giá ñến ISO với
mong muốn bán lượng ñiện năng của họ. ISO có toàn bộ mô hình
lưới truyền tải và có thể thực hiện tính toán OPF. Giá nút xác ñịnh
bởi OPF ñược sử dụng theo cách thức sau:
+ Các máy phát ñược thanh toán theo giá ñiện tại nút.
+ Các phụ tải cần phải thanh toán theo giá ñiện tại nút.
22
Nếu không có nghẽn mạch, tất cả các nút trong hệ thống có cùng
giá nút, các máy phát ñược thanh toán cùng giá ñiện năng của họ
cũng như các phụ tải cần phải thanh toán cùng giá ñiện năng của họ.
Khi có nghẽn mạch xảy ra, các giá nút khác nhau, mỗi máy phát
ñược thanh toán theo giá nút của nó và mỗi phụ tải phải thanh toán
tiền ñiện năng theo giá nút của nó.
ISO nhận ñường cong chào giá từ những người tham gia thị
trường. ðường cong chào giá cung cấp chỉ ra mức giá tối thiểu mà
nhà cung cấp sẽ sản xuất một lượng công suất. ðường cong chào giá
tiêu thụ chỉ ra mức giá tối ña có thể chấp nhận mà nhà tiêu thụ có thể
mua một lượng công suất. Thông qua chương trình tính toán bài toán
tối ưu, giá tại mỗi nút trên toàn hệ thống ñược tính toán. Các giá cuối
cùng mà chi phối bất kỳ sự giao dịch nào dựa trên cơ sở các giá chào
ñã ñệ trình và ñược ñiều chỉnh bởi ISO phản ảnh giá trị vị trí của nhà
cung cấp theo sự phân bố của họ ñối với các ràng buộc hệ thống (và
tổn thất). ðơn vị ñiều hành hệ thống tính toán giá nút bằng OPF và
tất cả các nhà cung cấp và nhà tiêu thụ phải chấp nhận giá này.
3.4. Các trường hợp nghiên cứu
3.4.1. Thị trường ñiện 7 nút
Kết quả sau khi huy ñộng công suất không xét ràng buộc như
Hình 3.8 với giá nút toàn hệ thống là 44.319 $/MW. Thặng dư của
nhà cung cấp và nhà tiêu thụ như Bảng 3.1.
Chỉ có duy nhất một nhà sản suất ñược phép thay ñổi giá chào của
họ, còn các nhà sản xuất khác chào giá với chi phí biên thật của họ.
ðiều này ñược thử nghiệm và các kết quả chỉ ra ở Bảng 3.2.
Các kết quả trong Bảng 3.3 chỉ ra ảnh hưởng của việc tăng giá
chào của nhà sản xuất tại nút 4 sẽ làm tăng giá thị trường và làm
giảm thặng dư xã hội.
23
3.4.2. Thị trường ñiện 14 nút
Xét thị trường ñiện 14 nút như Hình 3.9.
Luận văn phân tích ba trường hợp nêu trên ñối với phúc lợi xã hội
và thu nhập của ISO. Kết quả chỉ ra ở Bảng 3.7.
Bảng 3.7 Phân tích kinh tế lưới ñiện 14 nút
Luới ñiện Thặng dư cung cấp ($/h)
Thặng dư tiêu thụ ($/h)
Thu nhập của ISO ($/h)
Phúc lợi xã hội ($/h)
Trường hợp 1 49321.15 814476.40 1795.07 865592.62 Trường hợp 2 47653.41 806415.20 8399.05 862467.66 Trường hợp 3 51603.45 803909.20 8281.88 863794.53
Bảng 3.8 cho kết quả thặng dư của nhà cung cấp và nhà tiêu thụ
tại nút 12. Kết quả, nghẽn mạch truyền tải ñã mang lại cho nhà cung
cấp tại nút 12 nhiều lợi nhuận nhất và mang lại cho nhà tiêu thụ ít lợi
nhuận hơn.
3.3.4. Thị trường ñiện 30 nút IEEE
Xét hệ thống ñiện 30 nút IEEE [17] gồm 6 máy phát ñiện, 20 phụ
tải không ñổi như Hình 3.10. Bảng 3.9 cho kết quả tổng chi phí phát
ñiện trong tình huống CB là thấp nhất 2224.87 $/h, cao nhất là tình
huống LD 2231.24 $/h.
Bảng 3.9 Tổng chi phí phát ñiện Tình huống Tổng chi phí ($/h) Chênh lệch (%)
CB 2224.87 0 LA 2226.57 0.0764 LB 2227.23 0.1061 LC 2228.46 0.1614 LD 2231.24 0.2863
24
0.940.950.960.970.980.991.001.011.021.031.041.051.06
1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718192021222324252627282930
Nut
ðien ap (p.u)
CB LA LB LC LD
Hình 3.11 Biểu ñồ ñiện áp nút
3.23.43.63.84.04.24.44.64.85.05.2
1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718192021222324252627282930
Nut
Gia nut ($/M
Wh)
CB LA LB LC LD
Hình 3.12 Biểu ñồ giá nút
Hình 3.11 và Hình 3.12 chỉ ra kết quả ñộ lớn ñiện áp nút và giá
nút của các tình huống khác nhau. Trong ñó, tình huống LD có sự
biến ñộng lớn nhất: tại nút 13 ñiện áp lớn nhất, tại nút 30 ñiện áp
25
thấp nhất; tại nút 21 có giá cao nhất là 5.117 $/MWh, tại nút 22 có
giá thấp nhất là 3.370 $/MWh.
Chương 4 KẾT LUẬN
Bài toán OPF ñã có từ hơn 30 năm nay [4][37]. Luận văn sử dụng
MATPOWER ñể tính toán giá nút như là kết quả của bài toán OPF.
Luận văn trình bày phương pháp phân tích giá nút thành các phần
tương ứng với các hệ số khác nhau như phát ñiện, nghẽn mạch
truyền tải, giới hạn ñiện áp và các ràng buộc khác. Các thành phần
giá nút ñồng nhất với chi phí hoặc lợi ích tăng thêm của chúng ñối
với toàn bộ hệ thống. Thông tin giá nút có thể dùng ñể nâng cao hiệu
quả sử dụng lưới ñiện, nguồn năng lượng, quản lý nghẽn mạch, phác
thảo giá hợp lý cho hệ thống ñiện, cung cấp tín hiệu kinh tế cho việc
ñầu tư nguồn ñiện và lưới truyền tải.
Nhu cầu tiêu thụ ñiện năng ngày càng tăng, ñưa ñến hiện tượng
quá tải ñường dây và nghẽn mạch. FACTS là thiết bị có ứng dụng
hiệu quả ñể giải quyết vấn ñề nghẽn mạch, nâng cao ñộ an toàn cho
hệ thống và giảm tổn thất công suất tác dụng [31].
Hiện nay, quản lý nghẽn mạch bằng phương pháp OPF ñang ñược
sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới. Phương pháp này ñưa ra chi
phi tăng thêm của nút (hay giá nút) trên toàn hệ thống. Trong trường
hợp nghẽn mạch, giá này thay ñổi từ nút ñến nút. Tất cả các nhà sản
xuất và tiêu thụ phải thanh toán theo giá nút mà ñã tính toán bởi
OPF. Ở nhiều thời ñiểm, ñối với nhà cung cấp, các giá này không thể
chấp nhận, chẳng hạn họ có thể tạo ra thêm lợi nhuận từ tình huống
nghẽn mạch này nếu họ ñược phép thay ñổi giá của họ. Trong tình
huống này, nhà cung cấp có thể ñề nghị ñiều chỉnh giá chào cùng với
giá chào bình thường. Hiện nay, quản lý nghẽn mạch là một thách
26
thức trong thị trường phi ñiều tiết. Các phương pháp quản lý nghẽn
mạch chỉ có thể làm nhẹ nghẽn mạch, ñiều ñó là rất khó khăn ñể ñảm
bảo an toàn 100% trong việc loại trừ nghẽn mạch.
Luận văn này góp phần vào việc tính toán phí truyền tải, rào cản
tài chính truyền tải (FTR), tính toán hiệu quả mở rộng lưới truyền tải,
v.v... Bài toán OPF trong luận văn này chưa xét ñến chi phí phát thải
môi trường, công suất dự trữ quay, phí lắp ñặt thiết bị FACTS và một
số vấn ñề vấn ñề chuyên sâu.
_____*****_____
���� Luận văn do Công ty Truyền tải ñiện 2 tài trợ (2003 – 2006)
