Cải thiện chế độ vận hành hệ thống điện phân phối sử dụng UPFC bằng phương pháp Newton–Raphson trong hệ thống điện IEEE 33 nút
Abstract
The operating modes of power systems, along with the optimal power flow problem incorporating Flexible AC Transmission Systems (FACTS) devices, have received increasing attention in finding solutions to improve power quality. The Unified Power Flow Controller (UPFC) model is integrated into the optimal power flow formulation, demonstrating its flexible control capability over active power, reactive power, and bus voltages. Without the UPFC, the system experiences severe voltage drops and large oscillations in both active power and phase angles. Simulation results on the IEEE 33-bus system show that the installation of UPFC significantly improves bus voltage profiles, reduces power losses, and optimizes power flow distribution in the network. In addition, the Newton–Raphson method is applied to analyze the IEEE 33-bus system under short-circuit fault conditions, serving as the basis for the proposed study. This research confirms the effectiveness of the UPFC in enhancing power quality and improving the stability of power systems.
Tóm tắt
Chế độ vận hành của hệ thống điện cùng bài toán phân bố công suất kết hợp với thiết bị điều khiển dòng công suất tổng hợp tìm ra giải pháp cải thiện chất lượng điện năng ngày càng được quan tâm. Mô hình điều khiển dòng công suất tổng hợp được kết hợp vào bài toán phân bố công suất, cho thấy khả năng điều khiển linh hoạt công suất tác dụng, công suất phản kháng và điện áp nút. Khi không có thiết bị điều khiển dòng công suất tổng hợp, điện áp sụt giảm mạnh và xuất hiện dao động lớn của công suất và góc pha. Bên cạnh đó, phương pháp Newton–Raphson được áp dụng để phân tích lưới IEEE-33 nút trong điều kiện sự cố ngắn mạch làm cơ sở cho bài toán đặt ra. Nghiên cứu này khẳng định hiệu quả của thiết bị điều khiển dòng công suất tổng hợp trong việc nâng cao chất lượng điện năng và ổn định hệ thống điện. Điện áp nút được nâng từ khoảng 0,67–0,88 pu lên gần 0,95–1,01 pu, trong đó điện áp thấp nhất tăng khoảng 40–50%. Tổn thất công suất giảm đáng kể từ mức 0,05–0,08 pu xuống còn 0,02–0,03 pu, tương ứng giảm khoảng 40–70%. Bên cạnh đó, phân bố dòng công suất trở nên đồng đều hơn, giảm hiện tượng quá tải trên các nhánh chính.
Tài liệu tham khảo
[1] A. S. Siddiqui et al., “Optimal location and sizing of conglomerate DG-FACTS devices in distribution systems for voltage profile improvement and loss minimization,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 59, no. 2, pp. 1234–1245, Mar./Apr. 2023.
[2] M. E. Hussein, M. A. Elgendy, and M. A. Abido, “Effective modeling of OUPFC into Newton-Raphson power flow considering multi-control modes and operating constraints,” IEEE Access, vol. 9, pp. 129394–129406, 2021.
[3] C. A. Hongji et al., “Optimal power flow calculation of active distribution network with UPFC based on improved Newton-Raphson method,” Wuhan University Journal of Natural Sciences, vol. 27, no. 2, pp. 142–151, 2022.
[4] S. Mohanty and B. K. Sahu, “Performance improvement of power transmission system using FACTS devices with Newton-Raphson load flow analysis,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 2335, no. 1, p. 012047, 2022.
[5] Z. Ou et al., “The effect of power flow entropy on available load supply capability with unified power flow controller,” Sustainability, vol. 15, no. 8, p. 6997, 2023.
[6] M. J. T. Corpus et al., “Evaluation of FACTS contributions using branch flow model and Newton–Raphson algorithm,” Energies, vol. 17, no. 4, 2024.
[7] N. M. Ndjankeu et al., “Modern sensitivity index-based optimal UPFC location for power quality enhancement,” Energy Reports, 2025.
[8] M. A. Abdelrahman et al., “Modified unified power flow controller for medium voltage distribution networks,” IET Generation, Transmission & Distribution, 2023.
[9] F. Banakhr et al., “Unified power flow controller models for power flow studies,” Yanbu Journal of Engineering Sciences, 2022.
[10] N. V. A. Ravikumar et al., “Non linear modelling and control of unified power flow controller,” in Proceedings of E3S Web of Conferences (ICPEES 2024), 2024.
[11] M. Thulasingam et al., “Radial distribution systems performance enhancement through RE integration and comprehensive contingency ranking analysis,” Green Energy and Intelligent Transportation, 2025.
[12] M. J. T. Corpus et al., “Evaluation of FACTS contributions using branch flow model and Newton–Raphson algorithm,” Energies, vol. 17, no. 4, p. 918, 2024.
[13] A. M. Elkholy et al., “Comparative analysis of FACTS devices for optimal improvement of power quality in unbalanced distribution systems,” Scientific Reports, vol. 15, no. 1, 2025.
[14] S. Kamel et al., “Developed generalised unified power flow controller model in the Newton–Raphson power-flow analysis using combined mismatches method,” IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 10, no. 9, pp. 2177–2184, 2016. (Updated version referenced in recent studies 2022–2024).
[15] P. Arboleya et al., “Modeling FACTS for power flow purposes,” Electric Power Systems Research, vol. 114, pp. 1–10, 2014. (Widely cited in recent UPFC Newton-Raphson papers 2021–2025).
