Nghiên cứu giải pháp sa thải phụ tải tại HCMUTE với nhiều phương pháp phối hợp

Nghiên cứu giải pháp sa thải phụ tải tại HCMUTE với sự phối hợp nhiều phương pháp nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: ThS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện – Điện Tử
• Đề tài: Giải Pháp Sa Thải Phụ Tải Có Xét Đến Việc Phối Hợp Nhiều Phương Pháp
• Loại tài liệu: báo cáo nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước
• 0.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.3. Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu
• 0.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3.2. Cách tiếp cận
• 0.3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 0.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Nội dung nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI
• 1.1. Tổng quan về sa thải phụ tải trong hệ thống điện Việt Nam
• 1.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu các chương trình sa thải phụ tải
• 1.2.1. Sa thải phụ tải truyền thống
• 1.2.2. Sa thải phụ tải thích nghi
• 1.2.3. Phương pháp sa thải phụ tải thông minh
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI NHẰM KHÔI PHỤC TẦN SỐ VỀ GIÁ TRỊ CHO PHÉP
• 2.1. Khái niệm điều khiển tần số
• 2.2. Quá trình điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp tổ máy phát điện
• 2.2.1. Tổng quan về đáp ứng tần số của hệ thống điện
• 2.2.2. Quá trình điều chỉnh tần số khi có sự cố trong hệ thống điện
• 2.2.3. Tính toán lượng công suất sa thải phụ tải tối thiểu để phục hồi tần số về giá trị cho phép
• 2.2.3.1. Mục đích của việc tính toán lượng công suất sa thải phụ tải tối thiểu
• 2.2.3.2. Xây dựng công thức tính toán lượng công suất sa thải phụ tải tối thiểu
• 2.2.4. Tính toán kiểm tra trên sơ đồ hệ thống điện chuẩn
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI CÓ XÉT ĐẾN VIỆC PHỐI HỢP NHIỀU PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. Phân bố lượng công suất sa thải tại các bus tải dựa trên khái niệm khoảng cách pha
• 3.1.1. Khái niệm khoảng cách pha (Phase Electrical Distance PED)
• 3.1.2. Thử nghiệm – kiểm tra phương pháp đề xuất trên sơ đồ hệ thống điện chuẩn
• 3.2. Phân bố lượng công suất sa thải tại các nút tải dựa trên khái niệm khoảng cách điện áp
• 3.2.1. Khái niệm khoảng cách điện áp (Voltage Electrical Distance - VED)
• 3.2.2. Thử nghiệm – kiểm tra phương pháp đề xuất trên sơ đồ hệ thống điện chuẩn
• 3.3. Phân bố lượng công suất sa thải tại các nút tải dựa trên hệ số tầm quan trọng của phụ tải
• 3.3.1. Kỹ thuật mờ hóa và luật hoạt động
• 3.3.2. Tổng quan về thuật toán Fuzzy - AHP
• 3.3.3. Khảo sát thử nghiệm trên sơ đồ hệ thống điện chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát
• 3.4. Phương pháp sa thải phụ tải có xét đến các yếu tố phối hợp nhiều phương pháp
• 3.4.1. Tiêu chí 1: Hệ số tầm quan trọng của phụ tải
• 3.4.2. Tiêu chí 3: VED
• 3.4.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giải pháp sa thải phụ tải tại HCMUTE Tổng quan và mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu giải pháp sa thải phụ tải hiệu quả tại HCMUTE (Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) tập trung vào việc phát triển phương pháp sa thải phụ tải tối ưu, nhằm khôi phục tần số hệ thống điện về mức cho phép sau sự cố. Nghiên cứu này đặc biệt chú trọng đến việc phối hợp nhiều phương pháp, cân nhắc cả yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Mục tiêu chính là đề xuất một phương pháp sa thải phụ tải đáp ứng nhanh chóng, chính xác, và giảm thiểu tối đa ảnh hưởng đến người dùng. Việc sử dụng phần mềm Powerworld để mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu được nhấn mạnh. Giải pháp sa thải phụ tải được xem xét trong bối cảnh thực tiễn của hệ thống điện Việt Nam, nơi mà giới hạn phụ tải tối đa có thể sa thải lên đến 55%. Nghiên cứu cũng đánh giá các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống và giải pháp sa thải phụ tải hiện đại, nhằm đề xuất một phương pháp tối ưu hơn.

1.1 Phân tích giải pháp sa thải phụ tải truyền thống và hiện đại

Nghiên cứu phân loại giải pháp sa thải phụ tải thành ba nhóm chính: truyền thống, thích nghi và thông minh (dựa trên trí tuệ nhân tạo). Giải pháp sa thải phụ tải truyền thống, như Under Frequency Load Shedding (UFLS), được đánh giá là có nhược điểm về tính linh hoạt và hiệu quả khi xử lý các sự cố phức tạp. Sa thải phụ tải thích nghi, dựa trên ước tính độ lớn nhiễu loạn và tín hiệu df/dt, cải thiện một phần nhược điểm này. Tuy nhiên, những giải pháp sa thải phụ tải này chưa tối ưu về số lượng phụ tải cần sa thải. Giải pháp sa thải phụ tải thông minh, sử dụng các kỹ thuật như mạng nơron nhân tạo (ANN), logic mờ, thuật toán di truyền (GA), và tối ưu hóa bầy đàn (PSO), được xem như là hướng phát triển tiềm năng. Nghiên cứu cũng đề cập đến những thách thức của việc áp dụng các giải pháp sa thải phụ tải này trong thực tiễn, như yêu cầu về tốc độ xử lý và độ chính xác cao.

1.2 Giảm phụ tải điện và quản lý phụ tải Một góc nhìn đa chiều

Đề tài không chỉ tập trung vào việc sa thải phụ tải, mà còn xem xét giảm phụ tải điện như một phần của quản lý phụ tải tổng thể. Nghiên cứu đề cập đến việc phối hợp nhiều tiêu chí, cả kỹ thuật và kinh tế, trong quá trình phân phối phụ tải. Các tiêu chí kỹ thuật bao gồm khoảng cách pha (PED) và khoảng cách điện áp (VED), giúp đảm bảo ổn định hệ thống. Các tiêu chí kinh tế, như hệ số tầm quan trọng của phụ tải, giúp giảm thiểu tác động kinh tế của việc sa thải phụ tải. Tối ưu hóa phụ tải được đặt ra như một mục tiêu quan trọng, nhằm đảm bảo cả sự ổn định của hệ thống và tối thiểu hóa chi phí. Phân tích phụ tải chi tiết được thực hiện để đánh giá tác động của các phương pháp khác nhau và chọn lựa giải pháp sa thải phụ tải tối ưu.

II. Nghiên cứu sa thải phụ tải tại HCMUTE Phương pháp và kết quả

Phần này trình bày chi tiết phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài. Nghiên cứu kết hợp phương pháp phân tích tài liệu, mô hình hóa, và mô phỏng sử dụng phần mềm Powerworld. Đặc biệt, đề tài tập trung vào việc phát triển một phương pháp sa thải phụ tải mới, kết hợp nhiều tiêu chí kỹ thuật và kinh tế. Kết quả nghiên cứu được trình bày trên sơ đồ hệ thống điện chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp được đề xuất trong việc khôi phục tần số hệ thống và giảm thiểu tác động đến người dùng. Công nghệ sa thải phụ tải được đề xuất được đánh giá về hiệu quả, tính khả thi, và khả năng áp dụng trong thực tiễn. Ứng dụng sa thải phụ tải được mở rộng để bao gồm nhiều trường hợp sự cố khác nhau.

2.1 Mô hình hóa và mô phỏng sa thải phụ tải HCMUTE

Đề tài sử dụng mô hình hệ thống điện chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát để mô phỏng và kiểm chứng hiệu quả của phương pháp sa thải phụ tải được đề xuất. Việc sử dụng phần mềm Powerworld giúp cho việc mô phỏng trở nên chính xác và hiệu quả. Mô hình sa thải phụ tải được xây dựng dựa trên việc kết hợp các tiêu chí kỹ thuật (PED, VED) và kinh tế (hệ số tầm quan trọng của phụ tải). Kết quả mô phỏng được phân tích chi tiết, cho thấy sự cải thiện đáng kể so với các phương pháp truyền thống. Phân tích phụ tải trong mô hình giúp đánh giá tác động của việc sa thải phụ tải đến các thành phần khác nhau của hệ thống điện.

2.2 Đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp sa thải phụ tải

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp sa thải phụ tải được đề xuất có hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống trong việc khôi phục tần số hệ thống sau sự cố. Lợi ích sa thải phụ tải bao gồm việc giảm thời gian phục hồi tần số, giảm thiểu ảnh hưởng đến người dùng, và tối ưu hóa chi phí. An toàn điện năng được cải thiện nhờ việc ngăn chặn sự sụp đổ tần số. Thuật toán sa thải phụ tải được đề xuất có thể được áp dụng trong thực tiễn ở các công ty điện lực. Case study sa thải phụ tải trên hệ thống điện chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát cho thấy tính khả thi của phương pháp. Kinh nghiệm sa thải phụ tải được đúc kết trong nghiên cứu này có thể được ứng dụng để xây dựng các giải pháp kỹ thuật sa thải phụ tải, giải pháp phần mềm sa thải phụ tải, và giải pháp năng lượng hiệu quả trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI 1.1 Tổng quan về sa thải phụ tải trong hệ thống điện Việt Nam Hệ thống điện trên thế giới nói chung và hệ thống điện ở Việt Nam nói riêng đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Một hệ thống điện chia thành ba phần chính: Phần phát điện bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện bao gồm nhiệt điện chạy dầu (FO, DO), than, khí, hạt nhân, nhà máy thủy điện và một số loại phát điện khác. Phần truyền tải, đây cũng có thể được coi là hệ thống xương sống của một hệ thống điện bao gồm các đường dây cao áp, hạ và máy biến áp truyền tải. Phần tiêu thụ được trạm phân phối trung hạ áp đưa đến các công ty, xí nghiệp và hộ dân tiêu thụ.

Để đảm bảo phục hồi tần số khi có sự cố gây suy giảm tần số thì lượng công suất phụ tải sa thải phải ở mức 50-55%. Giới hạn phụ tải tối đa có thể sa thải áp dụng cho HTĐ Việt Nam là 55% [21]. Xác định mức cắt tải cho từng cấp tần số để tiết kiệm rơ-le tần số, độ lệch tần số giữa các cấp được chọn là 0.2Hz trong dải tần số từ 49. Tuy nhiên tại một số khu vực lưới điện chỉ liên kết với hệ thống qua một đường dây truyền tải (chẳng hạn khu vực miền Tây Nam bộ).

Sự cố mất đường dây này khi lưới điện khu vực đang nhận từ hệ thống một lượng công suất cao sẽ gây ra suy giảm tần số nghiêm trọng mà tác động của các cấp tần số nêu trên không đủ để phục hồi. Do vậy để tránh khả năng tách lưới giữ tự dùng của các tổ máy trong khu vực khi xảy ra tình huống sự cố như trên cần phải áp dụng cắt tải theo độ dốc tần số. Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn [22] trình bày phương pháp sử dụng rơle sa thải phụ tải theo tần số có khả năng tích hợp các chức năng bảo vệ tần số và điện áp nhằm đảm bảo độ ổn định trong hệ thống điện bằng cách sa thải phụ tải hoặc cô lập lưới điện cục bộ trong điều kiện thấp tần và quá áp. Hiện nay, rơle tần số được lắp đặt tại các trạm biến áp và sa thải tải theo từng lượng công suất nhỏ, giúp cho tần số và điện áp lưới điện khôi phục lại trạng thái làm việc bình thường.

Các tác giả tập trung vào trình bày sơ đồ ứng dụng chức năng sa thải phụ 6 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học tải mới dựa trên nguyên lý truyền thống sa thải tải, cho phép cắt các ngăn lộ theo từng cấp tần số, bắt đầu từ việc kiểm tra đấu nối nhị thứ, đến cài đặt thông số chỉnh định và cấu hình rơle trên phần mềm chuyên dụng giao tiếp rơle Micom Studio. Cuối cùng là ứng dụng sơ đồ sa thải phụ tải bằng rơle Areva P142 tại Trạm biến áp 110kV ĐăkMil.2 Tổng quan các kết quả nghiên cứu các chương trình sa thải phụ tải Các nghiên cứu về điều khiển sa thải phụ tải tập trung giải quyết các vấn đề: khôi phục tần số hệ thống ổn định với thời gian nhanh nhất, lượng tải sa thải ít nhất, chi phí thiệt hại khi mất điện là ít nhất. Có nhiều phương pháp khác nhau để sa thải phụ tải và phục hồi hệ thống đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu. Các kỹ thuật sa thải phụ tải về cơ bản được chia thành 3 mảng nghiên cứu chính: các kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống (Conventional Load Shedding), các kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi (Adaptive Load Shedding), và các kỹ thuật sa thải phụ tải thông minh ILS (Intelligent Load Shedding).1 Sa thải phụ tải truyền thống Sa thải phụ tải bằng relay tần số, hoặc điện áp là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất cho việc điều khiển ổn định tần số, ổn định điện áp của lưới điện và duy trì tính ổn định của lưới trong các điều kiện cần thiết.

Khi tần số hoặc điện áp giảm xuống dưới điểm làm việc đã được cài đặt, các relay tần số/điện áp của hệ thống phát tín hiệu cắt từng mức phụ tải, do đó ngăn cản sự suy giảm tần số/điện áp và các ảnh hưởng của nó. Sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS) Sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS) được áp dụng trong trường hợp có sự cố nghiêm trọng, làm giảm nhanh ở tần số do việc mất các máy phát điện. Theo tiêu chuẩn IEEE, sa thải dưới tần số phải được thực hiện một cách nhanh chóng để ngăn ngừa tần số hệ thống điện giảm bằng cách giảm tải hệ thống điện để đáp ứng cân bằng công suất phát điện hiện có [23]. Với mục đích này, giá trị ngưỡng tần số được thiết lập để bắt đầu sa thải phụ tải dưới tần số.

Giá trị tần số tối thiểu chấp nhận phụ thuộc vào thiết bị của hệ thống, chẳng hạn như các loại máy phát điện, thiết bị phụ trợ của nó, và quy định của mỗi quốc gia. Các relay UFLS được khởi tạo để sa thải một lượng tải cố định trong các bước được xác định trước, khi tần số giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định nhằm ngăn ngừa sự cố tan rã lưới điện. 7 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Sa thải phụ tải dưới tần số được nhiều nhà vận hành hệ thống điện áp dụng: Hội đồng Điều phối độ tin cậy bang Florida (FRCC) [23], Hội đồng điện tin cậy của Texas ERCOT [23], Hệ thống điện Việt Nam [24]. - Đối với hệ thống điện hoạt động ở tần số 50 Hz (hoặc 60 Hz), tần số hoạt động cho phép tối thiểu thường được khuyến cáo theo nhà sản xuất cho tuabin là 47,5 Hz (57,5 Hz) [25- 26].

Điều này là cần thiết để bảo vệ máy phát điện và các thiết bị phụ trợ của nó bởi vì các dịch vụ phụ trợ nhà máy điện bắt đầu trục trặc ở tần số 47,5 Hz; tình hình sẽ trở nên nghiêm trọng vào khoảng 44Hz đến 46 Hz. Hơn nữa, hoạt động phát điện tại 47,5 Hz hoặc thấp có thể làm hỏng cánh turbine và làm giảm tuổi thọ của nó [27]. Do đó, sa thải phụ tải trong hệ thống điện sẽ giúp ngăn chặn sự mất mát của máy phát điện, hư hỏng thiết bị, và mất điện. Đối với hệ thống điện Việt Nam, quy định tần số định mức trong hệ thống điện là 50Hz.

Ở các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện, tần số được phép dao động trong phạm vi quy định. Tần số được phép dao động từ 49,8Hz đến 50,2Hz trong điều kiện vận hành bình thường. Khi sự cố xảy ra, tần số được phép dao động trong khoảng 49,5Hz đến 50,5Hz. Theo Quy trình lập kế hoạch, huy động dịch vụ điều tần và dự phòng quay, do Cục Điều Tiết Điện Lực Bộ công thương Việt Nam ban hành 2015 [24], điều khiển tần số ở Việt Nam được chia làm 03 cấp như sau : - Điều khiển tần số cấp I là đáp ứng của hệ thống máy phát nhằm duy trì tần số định mức 50,0Hz với dải dao động cho phép ± 0,2Hz.

- Điều khiển tần số cấp II là điều chỉnh tự động hoặc điều chỉnh bằng tay các tổ máy phát điện nhằm đưa tần số nằm ngoài khoảng 50,0 ± 0,5Hz về giới hạn trong khoảng 50,0 ± 0,5Hz. - Điều khiển tần số cấp III (sau đây viết tắt là điều tần cấp III) là điều chỉnh bằng sự can thiệp bởi lệnh điều độ để đưa tần số hệ thống điện vận hành ổn định theo quy định hiện hành và đảm bảo phân bổ kinh tế công suất phát các tổ máy phát. Bộ điều tốc của tổ máy phát điện của nhà máy điện có công suất lắp đặt trên 30 MW phải có khả năng làm việc với các giá trị hệ số tĩnh của đặc tính điều chỉnh nhỏ hơn hoặc bằng 5%. Các tổ máy phát điện tham gia điều tần phải có khả năng thay đổi ít nhất 4% công suất định mức của tổ máy trong vòng 10 giây và có thể duy trì mức thay đổi này tối thiểu trong 10 8 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học phút.

Đồng thời, các tổ máy này phải có khả năng tăng hoặc giảm công suất tự động theo tần số một cách tự động. Tổ máy cung cấp dịch vụ dự phòng quay phải có khả năng tăng công suất trong vòng 25 giây và duy trì ở mức công suất đó tối thiểu 30 phút. Đồng thời các tổ máy này phải có khả năng tăng công suất theo tần số tự động hoặc bằng tay. Đối với trường hợp tần số thay đổi nhanh chóng và vượt ra ngoài phạm vi tự điều khiển của các tổ máy phát điện khi mà điều khiển bằng tay không đủ thời gian để điều chỉnh hệ thống thì phương án sa thải tự động được dùng để điều khiển tần số hệ thống điện trình bày ở Bảng 1.1: Phân bổ công suất sa thải sử dụng UFLS trên hệ thống điện Việt Nam Lượng cắt tính theo % phụ tải khu vực (thời gian cắt t = 0s) Tần số, Hz Miền Bắc, miền Miền Nam Trung 49,0 5 5 48,8 5 5 48,6 5 5 48,4 5 5 48,2 5 5 48,0 5 15 47,8 10 15 47,6 15 10 47,4 10 Tổng cộng 65 65 b.

Sa thải phụ tải dưới điện áp (UVLS) UVLS được thực hiện để bảo vệ hệ thống điện tránh sụp đổ điện áp. Mất ổn định điện áp thường xảy ra do máy phát điện hoặc đường dây buộc phải cắt, hoặc quá tải. Khi điều này xảy ra, nhu cầu công suất phản kháng trong đường dây truyền tải thay đổi nghiêm trọng và có thể gây ra sự cố mất điện nếu không phục hồi nhanh chóng. Kỹ thuật UVLS được áp dụng bởi các công ty điện lực để ngăn chặn sự mất ổn định điện áp và khôi phục điện áp đến giá trị định mức của nó [29], [30].

9 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học c. Những hạn chế của các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống Các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống có ưu điểm là chi phí thấp, nguyên lý làm việc đơn giản, việc cắt tải gần như diễn ra tức thời khi tần số thấp nên được ứng dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên, các phương pháp này thường bị hạn chế bởi không thể cung cấp phương pháp sa thải phụ tải tối ưu.