Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài Tần số là thông số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng điện năng của hệ thống điện. Tần số hệ thống thay đổi sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ động cơ điện, làm thay đổi thông số của hệ thống đường dây, máy biến áp truyền tải và phân phối, tác động đến trào lưu công suất của hệ thống. Vì vậy, việc duy trì tần số không đổi luôn là mục tiêu của người thiết kế, vận hành hệ thống điện. Ổn định tần số là một trong ba vấn đề chính của ổn định hệ thống điện [1].
Ổn định tần số để giữ tần số của hệ thống dao động nhỏ nhất sau khi trãi qua những dao động trên lưới điện. Khi lưới điện ngày càng được mở rộng với sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo, các máy phát phân tán, thiết bị FACTs, cùng với nhu cầu sử dụng điện tăng cao, áp lực kinh tế thì việc ổn định tần số trở nên phức tạp hơn [2]. Vì thế cần nghiên cứu ổn định tần số trong hệ thống điện để đảm bảo duy trì hoạt động ổn định của hệ thống điện. Nghiên cứu ổn định tần số để tìm ra phương pháp duy trì tần số trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau của hệ thống điện.
Tùy theo độ lệch giữa tần số hệ thống và tần số định mức có 4 chế độ điều khiển tần số được quy định gồm điều chỉnh tần số cấp I, điều chỉnh tần số cấp II, điều chỉnh tần số cấp III, và điều chỉnh tần số khẩn cấp [2]. Trong 3 chế độ điều khiển đầu tiên, tần số hệ thống được giữ ổn định bằng các chế độ điều khiển tự động bởi các bộ tự động điều chỉnh tần số hoặc bằng tay với tác động của nhân viên vận hành. Các bộ tự động điều chỉnh tần có nhiệm vụ thu thập các số liệu như: vận tốc, góc lệch pha, công suất điện của máy phát để điều khiển công suất cơ đầu vào máy phát điện nhằm duy trì tốc độ quay của máy phát ở định mức từ đó ổn định tần số hệ thống điện. Các bộ điều chỉnh tần số tự động chỉ duy trì tần số trong phạm vi cho phép, để ổn định tần số trong một dãi rộng thì cần có sự can thiệp của nhân viên vận hành hệ thống điều chỉnh các nguồn điện trên lưới.
Nguyễn Minh Tâm Trang 1 HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố Trong hệ thống điện, khi xảy ra các sự cố nhỏ hay dao động trên lưới điện, độ lệch tần số thường được duy trì trong phạm vi cho phép bởi bộ điều tốc [3]. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố mất máy phát công suất lớn hoặc đường dây quan trọng của hệ thống, tần số hệ thống sẽ thay đổi nhanh chóng. Tần số thay đổi lớn xảy ra trong thời gian ngắn khi sự cố thường làm cho các nhà máy điện không điều chỉnh công suất kịp thời để khôi phục tần số hệ thống. Các relay bảo vệ sẽ tác động để cắt các máy phát điện hay tải tiêu thụ để bảo vệ các thiết bị này.
Điều này sẽ làm cho tăng sự nhiễu động trên lưới và có thể dẫn đến việc cắt hàng loạt các phần tử trên hệ thống. Rã lưới là hiện tượng sụp đổ hệ thống hay một phần hệ thống điện, gây mất điện trên diện rộng. Rã lưới thường xuất phát từ một sự cố ban đầu như hư hỏng máy phát, máy biến áp, cắt đường dây. Nếu các tác động điều chỉnh tự động hoặc bằng tay không thể đưa hệ thống về trạng thái ổn định thì sự sụp đổ hàng loạt của các phần tử đường dây, máy phát, tải sẽ xảy ra.
Khi hệ thống bị phân tách thành nhiều vùng và một lượng lớn phụ tải bị mất điện thì chính thức xảy ra rã lưới [4]. Trong lịch sử hệ thống điện đã có nhiều sự cố rã lưới xảy ra. Đặc biệt là cùng với sự phát triển của lưới điện, số vụ rã lưới trên thế giới ngày càng nhiều hơn. Tổng số vụ rã lưới từ năm 2010 đến nay đã chiếm gần một nửa số vụ rã lưới trong lịch sử (65/139 vụ) [5].
Các sự cố này thường gây mất điện một hay nhiều khu vực khác nhau với thời gian và số lượng phụ tải bị mất điện khác nhau. Trong đó, sự cố lớn nhất xảy ra vào ngày 31 tháng 7 năm 2012 tại Ấn Độ với gần 600 triệu người bị mất điện trên khu vực rộng lớn gồm 22 bang và vùng lãnh thổ [6]. Gần đây, sự cố rã lưới ở Kenya vào ngày 7 tháng 6 năm 2016 với toàn bộ điện tích đất nước này và hơn 4,7 triệu hộ gia đình và doanh nghiệp bị mất điện [7]. Tại Việt Nam, ngày 22 tháng 5 năm 2013 cũng xảy ra sự cố rã lưới làm mất điện toàn bộ phía Nam Việt Nam và một phần Campuchia [8].
Khi sự cố ra lưới xảy ra, tần số hệ thống sai lệch rất nhiều so với tần số định mức. Độ lệch tần số là đại lượng thể hiện sự mất cân bằng công suất tác dụng giữa nguồn điện và phụ tải. Độ lệch tần số phản ánh sự mất định của hệ thống khi sự cố xảy ra và khi nó vượt ra ngoài tầm kiểm soát thì rã lưới sẽ xảy ra. Trong một hệ thống GVHD: TS.
Nguyễn Minh Tâm Trang 2 HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố điện liên kết chặt chẽ, tần số là một đại lượng gần như bằng nhau tại tất cả các điểm. Tần số thay đổi rất nhanh theo sự bất ổn định của hệ thống, và thể hiện tính nghiêm trọng của sự cố. Vì thế, từ lâu, giá trị tần số dùng để kiểm tra độ ổn định của hệ thống và dùng tần số để là đầu vào cho các thiết bị bảo vệ hệ thống như các bộ điều tốc tự động, bộ tự điều chỉnh công suất mát phát, thiết bị sa thải phụ tải, thiết bị bảo vệ máy phát [3]. Ổn định tần số trong điều kiện sự cố là nghiên cứu ổn định của hệ thống thông qua việc điều chỉnh tần số trong những điều kiện sự cố.
Khi sự cố như cắt đường dây hay máy phát xảy ra, tần số hệ thống sẽ dao động lớn. Vì thế, cần phân tích và mô phỏng những dao động tần số lớn này [9]. Khi tần số vượt quá khả năng phục hồi của hệ thống, phương án sa thải tải cần được tính đến. Một phương án sa thải tải hiệu quả sẽ giúp nhanh chóng ổn định tần số hệ thống bằng cách cắt đi một lượng tải nhỏ nhất.
Bài luận văn này đưa ra giới thiệu tổng quan về các phương pháp điều khiển tần số và đề xuất một phương án sa thải tần số hiệu quả dựa vào khoảng cách điện.2 Tình hình nghiên cứu ổn định tần số hiện nay Cùng với sự phát triển của lưới điện xoay chiều, tần số điện đã trãi qua nhiều bước phát triển khác nhau. Trong thế kỉ XIX, có nhiều mức tần số khác nhau trãi dài từ 16Hz đến 133Hz 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. 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 [10]. Ổn định hệ thống điện đã trở thành vấn đề quan trọng trong điều khiển bền vững hệ thống từ những năm 1920. Ổn định hệ thống điện được phân thành 3 vấn đề lớn là: Ổn định góc quay rotor, ổn định tần số, ổn định điện áp. Trong 3 vấn đề này, ổn định tần số thể hiện khả năng của hệ thống nhằm duy trì tần số sau sự cố nghiêm trọng làm mất cân bằng công suất giữa tải và nguồn.
Phụ thuộc vào sự mất cân bằng giữa tải và nguồn, ổn định tần số sẽ duy trì hoặc phục hồi tần số với lượng tải bị mất điện GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 3 HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố nhỏ nhất. Khi tần số mất ổn định, nó sẽ bị dao động lớn dẫn đến cắt các máy phát điện hoặc tải. Vấn đề ổn định tần số được chia thành hai vấn đề nhỏ hơn đó là ổn định tần số ngắn hạn (trong vài giây) và ổn định tần số dài hạn (từ 10 giây đến vài phút) [1].
Do sự phát triển của hệ thống điện ngày càng rộng lớn và phức tạp nên các sự số rã lưới xảy ra ngày càng nhiều. Vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu ổn định tần số trong điều kiện sự cố ngày càng trở nên cấp thiết. Năm 1999, hội đồng quốc tế các hệ thống điện lớn CIGRE (International Council on Large Electric Systems) đã có báo cáo nêu lên tính cần thiết của việc phân tích và mô phỏng hệ thống trong dưới những dao động lớn của tần số [9]. Bên cạnh phân tích và chỉ ra nguồn gốc chính để tăng cường ổn định hệ thống khi nhiễu động lớn xảy ra, bài báo cũng đưa ra các yêu cầu về dữ liệu, mô hình và các công cụ phân tích hệ thống điện.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các công cụ mô phỏng hệ thống trên máy tính, hệ thống điện có thể được mô phỏng ở nhiều chế độ làm việc khác nhau. Các nghiên cứu về mô phỏng hệ thống điện có thể được tìm thấy ở [11] và các phần mềm mô phỏng hệ thống được liệt kê ở [12]. Khi khai báo đầy đủ các dữ liệu đầu vào, tần số và nhiều thông số khác của hệ thống có thể được mô phỏng ở các tình huống khác nhau trên hệ thống. Kết quả mô phỏng này được dùng để đưa ra phương pháp điều khiển hệ thống phù hợp.
Trong nghiên cứu ổn định tần số cũng như ổn định hệ thống điện hiện nay, các giải thuật toán thông minh được nghiên cứu và thử nghiệm trên hệ thống mô phỏng để tìm ra phương hướng điều khiển tối ưu hệ thống. Tần số hệ thống được khảo sát bằng các mô hình mô phỏng theo miền tần số với độ chính xác cao. Trong tình huống sự cố, các chế độ ổn định tần số ngắn hạn và ổn định tần số dài hạn được đưa vào mô phỏng từ đó xác định tính ổn định của hệ thống và đưa ra các phương án điều khiển phù hợp nhất.