Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SA THẢI PHỤ TẢI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Tổng quan về các sự cố hệ thống điện Trong những thập niên vừa qua, trên thế giới đã có nhiều sự cố hệ thống điện nghiêm trọng xảy ra làm mất điện và ảnh hưởng đến hàng triệu người dân, gây thiệt hại lớn về kinh tế và tác động đến các tầng lớp xã hội. Tác động xã hội của mất điện, đặc biệt là ở các vùng đô thị là rất nghiêm trọng, chẳng hạn như các dịch vụ chăm sóc sức khỏe trong các bệnh viện, các vấn đề về điều khiển giao thông, làm gián đoạn mạng internet và các hệ thống thông tin liên lạc, dịch vụ ngân hàng. Những sự cố mất điện này có thể xảy ra do các nguyên nhân trong tự nhiên cũng như các nguyên nhân về mặt kỹ thuật. Những nguyên nhân tự nhiên bao gồm: động vật tiếp xúc với dây dẫn đang mang điện, tai nạn do phương tiện vận chuyển dẫn đến va chạm với đường dây truyền tải, các cành cây ngã, đổ lên các đường dây truyền tải do thời tiết mưa bão… Những nguyên nhân về mặt kỹ thuật bao gồm: các sự cố, hư hỏng các đường dây truyền tải và phân phối, các vấn đề về ổn định, các đường dây bị quá tải, các sự cố hư hỏng thiết bị và các lỗi do con người gây ra.
Đối với những sự cố mất điện xảy ra do lỗi về mặt kỹ thuật, danh sách các sự cố mất điện nghiêm trọng nhất [2] xảy ra trong hai thập niên qua có ảnh hưởng đến hàng triệu người dân được thống kê trong Bảng 1. Một trong những sự cố mất điện đáng chú ý là sự cố xảy ra ở Mỹ và Canada vào ngày 14/08/2003. Sự cố này đã ảnh hưởng đến 50 triệu người dân ở 8 tiểu bang của Mỹ và 2 tỉnh của Canada. Sự cố này đã làm mất điện khoảng 63GW phụ tải và hơn 400 đường dây truyền tải, 531 máy phát ở 261 nhà máy điện bị cắt ra.
Sự cố này kéo dài đến 96 giờ (4 ngày) trong những vùng khác nhau ở miền Tây nước Mỹ, tổn thất về kinh tế trong khoảng từ 4 - 6 tỉ USD [2]. 6 luan an Bảng 1.1: Các sự cố mất điện nghiêm trọng nhất trong các năm qua trên thế giới Thời Số người bị Quốc gia Thời gian gian kéo Nguyên nhân ảnh hưởng dài Hy Lạp 24/04/1990 50 triệu 6h Sụp đổ điện áp Sét đánh làm cho các đường dây Brazil 11/03/1999 97 triệu 5h 440kV cắt sự cố Ấn Độ 02/01/2001 226 triệu 12 h Hư hỏng đường dây trruyền tải Canada và các 96 h Thiếu sự bảo dưỡng, lỗi do con tiểu bang miền 14/08/2003 56 triệu (4 ngày) người và hư hỏng thiết bị Bắc nước Mỹ Ý 28/09/2003 55 triệu 18 h Ngắt các đường dây truyền tải Indonesia 18/08/2005 100 triệu 7h Hư hỏng đường dây truyền tải Châu Âu 04/10/2006 15 triệu 2h Quá tải Ngắn mạch trên ba máy biến áp Brazil và 10/11/2009 87 triệu 7h phía đường dây truyền tải điện áp Paraguay cao Hư hỏng trên đường dây truyền Brazil 04/02/2011 53 triệu 16 h tải Sụp đổ điện áp do quá tải đường Ấn Độ 31/07/2012 670 triệu 15 h dây truyền tải Sự cố mất điện lớn nhất thế giới xảy ra gần đây là vào ngày 31/07/2012 ở Ấn Độ kéo theo sau sự sụp đổ điện áp do quá tải trên các đường dây truyền tải. Sự cố này đã ảnh hưởng đến 670 triệu người dân, hàng trăm chuyến tàu lửa, hàng trăm ngàn hộ gia đình trong 22 bang của Ấn Độ [3]. Ngoài những sự cố mất điện nghiêm trọng nêu trên, mỗi quốc gia đều có những sự cố mất điện với quy mô nhỏ hơn và xảy ra nhiều lần trong năm.1 trình bày tần suất sự cố mất điện xảy ra trong nhiều khu vực khác nhau trên thế giới vào năm 2009 [2], trong đó khu vực Nam Á có đến 1200 lần mất điện.
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây cũng đã xảy ra các sự cố mất điện hệ thống trên diện rộng, thời gian mất điện kéo dài và gây tổn thất lớn cho nền kinh tế. Sự cố mất điện miền Nam Việt Nam [4] diễn ra từ lúc 14 giờ ngày 22 tháng 5 năm 2013 làm các tỉnh thành miền Nam Việt Nam bị mất điện trong nhiều giờ. Sự cố này cũng gây mất điện một số khu vực tại quốc gia láng giềng Campuchia. Đây là sự cố điện xảy ra 7 luan an gây ảnh hưởng với quy mô lớn trên diện rộng chưa từng có trong vòng 100 năm tại Việt Nam.1: Tấn suất bị mất điện ở các khu vực trên thế giới Nguồn điện cung cấp cho miền Nam phụ thuộc vào đường dây 500KV (truyền tải điện từ miền Bắc vào, chiếm phần lớn, có khi lên đến 40% tổng công suất tiêu thụ của miền Nam) và tùy theo thời điểm cụ thể và nhu cầu phụ tải.
Tại thời điểm xảy ra sự cố, hệ thống điện miền Nam nhận công suất lớn từ Bắc vào Nam từ đường dây 500KV. Do vậy, các nhà máy điện không thể đáp ứng nổi nhu cầu phụ tải khu vực nên phải tách ra khỏi hệ thống để bảo vệ an toàn cho thiết bị. Nguyên nhân của sự cố được cho là do một chiếc xe cẩu chở cây gỗ (dài 10m) vướng vào đường dây tải điện 500kV làm gây ngắn mạch trên hệ thống. Điều này đã kích hoạt hệ thống ngắt mạch tự động để bảo vệ các tổ máy nguồn phát điện, dẫn tới hệ thống điện miền Nam mất toàn bộ (với tổng công suất khoảng 9400 MW).
Sự cố xảy ra làm cho 15 nhà máy điện với 43 tổ máy phát điện phải tách ra khỏi lưới điện. Việc tái lập lại hệ thống này mất nhiều thao tác khiến tổng thời gian khôi phục lại mạng lưới kéo dài 8 tiếng. Hậu quả của vụ việc được đánh giá là rất nghiêm trọng, gây tác động không nhỏ đến đời sống của người dân, doanh nghiệp lẫn thiệt hại về phía EVN do khắc phục sự cố. Thiệt hại chỉ đối với ngành điện ước tính ban đầu là 14 tỷ đồng.
Tính đến 8 luan an ngày 25 tháng 5, có tổng cộng 8 triệu khách hàng bị ảnh hưởng bởi sự cố, trong đó tại thành phố Hồ Chí Minh có 1,8 triệu hộ dân và khách hàng điện Gần đây, sự cố Nhà máy nhiệt điện Mông Dương [5], công suất 1.080MW đã làm cho TP.HCM mất điện trên diện rộng. Sự cố xảy ra lúc 5h41 ngày 25/05/2019, làm nguồn cung cấp điện cho các tỉnh phía Nam và TP.HCM bị giảm đột ngột, dẫn đến việc sa thải rơ-le 81 của 45 tuyến cung cấp điện từ 27 trạm: Q1, Q6, Q7, Q8, Q 9, Q11, Q 12, Q Thủ Đức, Bình Thạnh, Gò Vấp, Bình Tân, các huyện Hóc Môn, Bình Chánh, Củ Chi. Tổng công suất bị sa thải là 132 MW. Bên cạnh các sự cố mất điện đã xảy ra, nước ta là một nước đang phát triển vì vậy nhu cầu năng lượng điện và sự tăng nhanh của phụ tải là việc có thể dự báo được trong những năm tiếp theo (quy hoạch điện VII).
Điều đó sẽ làm gia tăng các nguy cơ sự cố gây mất điện và bắt buộc phải sa thải phụ tải. Đây là thách thức đối với các nhà hoạch định và vận hành hệ thống điện nhằm đáp ứng sự gia tăng nhu cầu phụ tải trong khi vẫn phải duy trì độ ổn định của hệ thống.2 Khái quát về điều chỉnh tần số và sa thải phụ tải Cùng với sự phát triển của lưới điện xoay chiều, tần số điện đã trải qua nhiều bước phát triển khác nhau. Trong thế kỉ XIX, có nhiều mức tần số khác nhau trải dài từ 16⅔ Hz đến 133⅓ Hz được sử dụng trong các hệ thống điện khác nhau. Năm 1891, tần số 50Hz được sử dụng đầu tiên trong hệ thống điện ở Đức bởi công ty AEG.
Tần số 60Hz được chọn làm tần số chuẩn trong hệ thống điện phát triển bởi công ty điện Westinghouse, Mỹ. Ngày nay, tần số phổ biến trong hệ thống điện xoay chiều là 50Hz ở các nước châu Âu và hầu hết châu Á, tần số 60Hz được sử dụng trên lưới điện Bắc Mỹ, một số nước thì sử dụng cả hai tần số 50Hz và 60Hz như Brazil, Mexico, Nhật [6]. Khi vận hành ổn định, hệ thống điện yêu cầu tần số và điện áp phải không đổi. Trong thực tế, tần số của hệ thống điện không bao giờ ở tình trạng cân bằng do nhu cầu phụ tải thay đổi một cách liên tục.
Trong một hệ thống điện, công suất phát ra phải được giữ cân bằng với công suất tiêu thụ, nếu không sẽ xuất hiện sự thiếu hụt công suất. Tần số hệ thống sẽ giảm thấp nếu phụ tải vượt quá công suất phát và sẽ tăng cao khi công suất phát lớn hơn so với nhu cầu phụ tải. Tần số hệ thống 9 luan an tỉ lệ trực tiếp với tốc độ máy phát. Vì vậy, việc điều khiển tần số hệ thống được thực hiện bằng cách điều chỉnh tốc độ máy phát.
Khi phụ tải tăng đột ngột trong hệ thống điện đơn giản gồm một máy phát và phụ tải, nhu cầu năng lượng phụ tải vượt quá sẽ được cung cấp một cách tức thời bởi quán tính quay của máy phát. Tốc độ quay của máy phát sau đó sẽ giảm xuống, dẫn đến mức giảm tương xứng của tần số hệ thống. Bộ điều tốc sẽ tác động mở cánh hướng tuabin để tăng tốc độ quay tuabin. Tốc độ tuabin tăng sẽ làm tăng tần số hệ thống, vì vậy tần số có thể được khôi phục về trong phạm vi cho phép.
Để điều khiển tần số trong hệ thống điện liên kết, các nhà máy điện phải sử dụng một cơ cấu điều khiển để khôi phục tần số khi có các sự cố thoáng qua hoặc có những thay đổi phụ tải lớn. Trong trường hợp có sự chênh lệch về công suất, hoạt động điều chỉnh tần số sơ cấp được kích hoạt để tái lập cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và công suất phát. Khi có bất kỳ sự sai lệnh so với giá trị đặt (giá trị tần số định mức) thì các bộ điều chỉnh sơ cấp của tất cả các máy phát sẽ đáp ứng trong vòng vài giây. Bộ điều khiển tác động thay đổi công suất đầu ra của các máy phát cho đến khi sự cân bằng giữa công suất đầu ra và nhu cầu phụ tải được thiết lập.
Sau đó, độ sai lệch công suất và tần số còn lại sẽ được điều chỉnh bằng cách kích hoạt điều chỉnh thứ cấp. Chức năng của điều chỉnh thứ cấp là phục hồi công suất và tần số về các giá trị định mức của chúng. Trong nghiên cứu ổn định tần số hệ thống điện, độ lệch tần số cho phép là ±0.