Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam đã trải qua giai đoạn phát triển mạnh mẽ với sản lượng điện sản xuất năm 2019 đạt 240,1 tỷ kWh, tăng 9,1% so với năm trước, phục vụ hơn 25 triệu khách hàng. Tuy nhiên, sự gia tăng tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, chiếm gần 9,7% công suất đặt toàn hệ thống, cùng với nhiều nhà máy điện vận hành lâu năm, công nghệ lạc hậu, đã đặt ra thách thức lớn trong việc duy trì chất lượng tần số hệ thống điện. Tần số là chỉ tiêu quan trọng nhất phản ánh sự cân bằng công suất giữa nguồn và tải, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định và tin cậy vận hành hệ thống điện. Nghiên cứu tập trung đánh giá hiện trạng điều khiển tần số trong khung vận hành ngắn hạn (từ thời gian thực đến dưới một tiếng), đồng thời đề xuất và kiểm chứng các giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu sử dụng dữ liệu vận hành năm 2019 và đầu năm 2020, áp dụng mô phỏng trên hệ thống OTS tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (EVNNLDC). Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy và kinh tế cho hệ thống điện quốc gia trong bối cảnh phát triển nguồn năng lượng tái tạo ngày càng lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tần số trong hệ thống điện, bao gồm:

  • Lý thuyết cân bằng công suất và tần số: Tần số hệ thống phản ánh sự cân bằng công suất tác dụng giữa nguồn phát và phụ tải. Phương trình chuyển động (swing equation) mô tả mối quan hệ giữa mô-men cơ, mô-men điện từ và vận tốc rô-to máy phát, từ đó xác định sự biến đổi tần số khi mất cân bằng công suất xảy ra.

  • Khái niệm quán tính hệ thống: Quán tính hệ thống điện là khả năng chống lại sự thay đổi tần số nhờ động năng tích trữ trong các khối quay của máy phát đồng bộ. Quán tính ảnh hưởng đến tốc độ thay đổi tần số (RoCoF) và điểm tần số thấp nhất sau sự cố.

  • Các giai đoạn điều khiển tần số:

    • Điều khiển tần số sơ cấp (Primary Frequency Control): Đáp ứng tức thời của bộ điều tốc các tổ máy phát và tải động cơ nhằm ổn định tần số sau sự cố.
    • Điều khiển tần số thứ cấp (Secondary Frequency Control): Điều khiển tự động qua hệ thống AGC để khôi phục tần số về giá trị định mức, điều chỉnh điểm đặt tải các tổ máy tham gia điều tần.
    • Điều khiển tần số cấp 3: Điều khiển bằng lệnh điều độ nhằm đảm bảo vận hành ổn định và phân bổ kinh tế công suất phát.

  • Khái niệm đáp ứng tần số sơ cấp và thứ cấp: Đáp ứng tần số sơ cấp giúp giảm sai lệch tần số ban đầu, trong khi đáp ứng thứ cấp khôi phục tần số về giá trị định mức.

  • Thuật ngữ chuyên ngành: EVN, EVNNLDC, SCADA, EMS, OTS, AGC, FDI, RoCoF, Load Frequency Control (LFC), Frequency Bias.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu vận hành hệ thống điện Việt Nam năm 2019 và đầu năm 2020, bao gồm số liệu phụ tải, tần số hệ thống, sự cố tổ máy phát, và các thông số điều khiển tần số.

  • Phương pháp phân tích:

    • Đánh giá hiện trạng chất lượng tần số dựa trên chỉ số độ lệch tần số (FDI), số lần tần số vượt ngưỡng cho phép, và thời gian khôi phục tần số sau sự cố.
    • Phân tích đáp ứng tần số sơ cấp và thứ cấp của các loại nhà máy điện (thủy điện, nhiệt điện than, tua-bin khí, năng lượng tái tạo).
    • Mô phỏng đáp ứng tần số trong các chế độ vận hành điển hình (thấp điểm đêm, cao điểm ngày và tối) sử dụng phần mềm mô phỏng đào tạo điều độ viên OTS tại EVNNLDC.
    • Kiểm chứng kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế vận hành hệ thống.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu vận hành toàn hệ thống điện quốc gia trong năm 2019 và đầu năm 2020, với các sự kiện sự cố điển hình được lựa chọn để phân tích chi tiết. Thời gian nghiên cứu tập trung vào khung vận hành ngắn hạn dưới một tiếng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng chất lượng tần số:

    • Chỉ số FDI tính cho tần số vượt ngưỡng trên 50,2 Hz trung bình năm 2019 là 20%, cao nhất vào tháng 1 (41,5%) và các ngày Chủ nhật (21,6%).
    • Số lần tần số vượt ngưỡng 50 ± 0,5 Hz năm 2019 là 191 lần, giảm mạnh so với 1310 lần năm 2018 nhưng vẫn vượt tiêu chuẩn cho phép (130 lần).
    • Tần số hệ thống thường xuyên duy trì ở mức cao hơn 50,2 Hz trong các chế độ thấp điểm hoặc dịp lễ Tết, gây nguy cơ mất cân bằng công suất.

  2. Đáp ứng tần số sơ cấp:

    • Các nhà máy nhiệt điện than có khả năng đáp ứng tần số sơ cấp nhanh, thay đổi công suất 5-10% trong vòng dưới 30 giây.
    • Nhà máy tua-bin khí có đáp ứng chậm hơn, chỉ cung cấp 5-10% công suất trong phút đầu sau sự cố.
    • Nhà máy thủy điện đáp ứng sơ cấp hạn chế do quán tính nước và cơ chế điều khiển bù độ dốc quá độ, thường bắt đầu đáp ứng đáng kể từ giây thứ 30 trở đi.

  3. Thời gian khôi phục tần số sau sự cố:

    • Sự cố tổ máy phát 622 MW vào giờ cao điểm mất 5 phút 28 giây để tần số trở về ngưỡng bình thường.
    • Sự cố tổ máy phát 448 MW vào giờ thấp điểm mất 3 phút để khôi phục tần số về ngưỡng bình thường.
    • Thời gian khôi phục tần số chưa đáp ứng hoàn toàn quy định về thời gian khôi phục trong các văn bản pháp lý.

  4. Hiệu quả mô phỏng trên OTS:

    • Mô phỏng đáp ứng tần số trong các chế độ vận hành điển hình phù hợp với dữ liệu thực tế, phản ánh chính xác diễn biến tần số và đáp ứng của các tổ máy.
    • Các giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp được kiểm chứng có hiệu quả rõ rệt trong việc giảm sai lệch tần số và rút ngắn thời gian khôi phục.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện trạng chất lượng tần số chưa đạt yêu cầu là do tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo tăng nhanh, không đóng góp quán tính và đáp ứng tần số sơ cấp, cùng với nhiều nhà máy điện truyền thống vận hành lâu năm, công nghệ lạc hậu. So với các nghiên cứu quốc tế, đáp ứng tần số sơ cấp của nhà máy nhiệt điện than Việt Nam tương đối tốt nhưng vẫn còn hạn chế về mặt công nghệ và tốc độ đáp ứng. Thời gian khôi phục tần số dài hơn so với tiêu chuẩn quốc tế do hạn chế trong điều khiển tần số thứ cấp và cơ chế phối hợp điều khiển chưa tối ưu. Việc sử dụng mô phỏng OTS giúp đánh giá chính xác các giải pháp điều khiển, từ đó đề xuất các cải tiến phù hợp với đặc thù hệ thống điện Việt Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ độ lệch tần số theo tháng, số lần vượt ngưỡng tần số theo năm, và biểu đồ mô phỏng đáp ứng tần số trong các chế độ vận hành điển hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cao khả năng đáp ứng tần số sơ cấp của các nhà máy điện truyền thống:

    • Cải tiến công nghệ bộ điều tốc, áp dụng các giải pháp kỹ thuật mới như tiết lưu bình ngưng, bỏ qua trích hơi gia nhiệt để tăng công suất đáp ứng sơ cấp lên 10-15% công suất định mức.
    • Thời gian thực hiện: 1-3 năm; Chủ thể: EVN, các nhà máy điện.

  2. Tăng cường điều khiển tần số thứ cấp qua hệ thống AGC:

    • Cập nhật và tối ưu thuật toán điều khiển AGC, nâng cao độ chính xác và tốc độ phản hồi lệnh điều khiển.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: EVNNLDC, nhà cung cấp phần mềm.

  3. Phát triển cơ chế thanh toán và khuyến khích các nhà máy tham gia dịch vụ điều tần thứ cấp:

    • Xây dựng chính sách tài chính minh bạch, khuyến khích nhà máy nâng cao chất lượng đáp ứng tần số.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể: Bộ Công Thương, EVN.

  4. Tăng cường đào tạo và ứng dụng công cụ mô phỏng OTS trong công tác điều độ:

    • Đào tạo điều độ viên sử dụng OTS để dự báo và xử lý các tình huống mất cân bằng tần số.
    • Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: EVNNLDC, các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và điều hành hệ thống điện:

    • Lợi ích: Hiểu rõ hiện trạng và các giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số, từ đó xây dựng chính sách vận hành hiệu quả.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy điện:

    • Lợi ích: Nắm bắt các yêu cầu kỹ thuật về điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp, áp dụng công nghệ mới để nâng cao hiệu suất vận hành.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:

    • Lợi ích: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm về điều khiển tần số trong hệ thống điện lớn.

  4. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và phát triển năng lượng tái tạo:

    • Lợi ích: Hiểu tác động của nguồn năng lượng tái tạo đến chất lượng tần số và các giải pháp điều khiển phù hợp để đảm bảo an ninh năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tần số hệ thống điện lại quan trọng?
    Tần số phản ánh sự cân bằng công suất giữa nguồn và tải. Sai lệch tần số lớn có thể gây hư hỏng thiết bị và mất ổn định hệ thống. Ví dụ, tần số vượt quá ±0,2 Hz so với 50 Hz có thể làm giảm tuổi thọ máy phát và thiết bị điện.

  2. Nguồn năng lượng tái tạo ảnh hưởng thế nào đến điều khiển tần số?
    Các nguồn như điện mặt trời, điện gió không đóng góp quán tính và đáp ứng tần số sơ cấp, làm giảm quán tính hệ thống và tăng nguy cơ dao động tần số. Do đó cần có giải pháp điều khiển bổ sung.

  3. Điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp khác nhau như thế nào?
    Sơ cấp là đáp ứng tức thời tự động của bộ điều tốc và tải động cơ, giúp ổn định tần số ban đầu. Thứ cấp là điều khiển tự động qua AGC để khôi phục tần số về giá trị định mức trong vài phút.

  4. Làm thế nào để cải thiện thời gian khôi phục tần số sau sự cố?
    Cải tiến công nghệ bộ điều tốc, nâng cao hiệu quả điều khiển AGC, và tăng cường phối hợp điều khiển giữa các tổ máy giúp rút ngắn thời gian khôi phục tần số.

  5. Vai trò của mô phỏng OTS trong nghiên cứu này là gì?
    OTS giúp mô phỏng chính xác đáp ứng tần số trong các tình huống vận hành thực tế, kiểm chứng hiệu quả các giải pháp điều khiển trước khi áp dụng thực tế, giảm thiểu rủi ro vận hành.

Kết luận

  • Hệ thống điện Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn trong duy trì chất lượng tần số do sự gia tăng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế công nghệ điều khiển.
  • Đáp ứng tần số sơ cấp và thứ cấp hiện tại chưa đạt tiêu chuẩn về thời gian và độ chính xác, ảnh hưởng đến sự ổn định vận hành.
  • Mô phỏng OTS là công cụ hiệu quả để đánh giá và kiểm chứng các giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số.
  • Các giải pháp kỹ thuật và chính sách được đề xuất nhằm nâng cao khả năng đáp ứng tần số, rút ngắn thời gian khôi phục và khuyến khích nhà máy tham gia dịch vụ điều tần.
  • Tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới trong điều khiển tần số là cần thiết để đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy và kinh tế cho hệ thống điện Việt Nam trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị liên quan cần phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và chính sách, đồng thời tăng cường đào tạo và ứng dụng công cụ mô phỏng để nâng cao chất lượng điều khiển tần số hệ thống điện quốc gia.