Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SA THẢI PHỤ TẢI 1. Tổng quan về sa thải phụ tải Vấn đề ổn định tần số hệ thống là yêu cầu bức thiết với mọi thành viên vận hành, điều độ và quản lý hệ thống điện. Có nhiều biện pháp để duy trì ổn định hệ thống điện như: xác định thời gian cắt sự cố hợp lý, sử dụng thiết bị FACT, bộ PSS… Tuy nhiên, khi xuất hiện các sự cố nghiêm trọng như mất máy phát công suất lớn, sự cố ngắn mạch đường dây, thanh cái… thì những phương pháp kể trên khó có thể có khả năng để duy trì hay tái lập ổn định hệ thống điện. Việc duy trì hoạt động của hệ thống điện không thể không xét đến tần số của máy phát và điện áp các nút khi được kiểm soát trong một giới hạn nghiêm ngặt.
Trong quá trình hoạt động bình thường, các yếu tố này đạt được bằng cách điều khiển tự động dưới sự giám sát của các nhân viên điều độ. Tuy nhiên, tần số hệ thống chịu ảnh hưởng trực tiếp giữa công suất phát và nhu cầu phụ tải, do đó khi có sự cố mất một máy phát điện, lúc này công suất cung cấp không đủ đáp ứng cho nhu cầu phụ tải, hậu quả là tần số hệ thống bắt đầu giảm. Lúc này các máy phát còn lại trong hệ thống sẽ tăng công suất ngõ ra để bù cho lượng công suất của máy phát sự cố, lúc này nếu lượng công suất bù này có thể đáp ứng được nhu cầu tải thì hệ thống sẽ khôi phục lại trạng thái ổn định. Tuy nhiên, trong một số trường hợp không đạt được mục đích trên, để khôi phục tần số trong giới hạn định mức thì một chương trình sa thải tải cần được áp dụng cho hệ thống.
Giải pháp sa thải phụ tải là một trong những giải pháp mạnh và hiệu quả để duy trì ổn định hệ thống điện trong các tình huống sự cố. Vấn đề đặt ra là phải sa thải nhanh, mức sa thải công suất hợp lý để duy trì ổn định, phục hồi các giá trị thông số hệ thống về phạm vi cho phép. Đây là vấn đề phức tạp, cần có các nghiên cứu chuyên sâu trong việc phối hợp các phương pháp, giải thuật công nghệ để xây dựng mô hình đánh giá nhanh tình huống sự cố, ra quyết định kịp thời, hạn chế sa thải phụ tải ở mức thấp nhất là yêu cầu bức thiết hiện nay. Bên cạnh đó, các sự cố trong hệ thống điện thường là các sự cố thoáng qua, tuy nhiên, có những sự cố lớn ví dụ như mất một máy phát điện, hoặc có sự tăng tải đột ngột 4 Luan van Nghiên cứu khoa học ThS.
Trần Tùng Giang trong hệ thống điện. Các sự cố này gây ra các nhiễu loạn trong hệ thống, các nhiễu loạn này thay đổi về cường độ của nó, điều không mong muốn có thể xảy ra trong hệ thống là các nhiễu loạn này gây suy giảm nghiêm trọng tần số. Điều này dẫn đến cần thiết nghiên cứu hệ thống điện và chương trình để theo dõi và ngăn chặn tần số trở nên mất ổn định. Đề tài đề xuất mô hình sa thải nhằm đảm bảo khôi phục tần số hệ thống điện khi có sự cố như đột ngột mất máy phát hoặc tăng tải trên cơ sở huy động lượng công suất dự phòng của các máy phát trong hệ thống để đạt được lượng tải sa thải là tối ưu nhất.
Ngoài ra, việc sa thải phụ tải có xét đến độ nhay điện áp giúp nâng cao chất lượng điện áp tại các bus. Tổng quan về các hướng nghiên cứu liên quan Việc tìm lượng tải sa thải tối ưu là quan tâm hàng đầu đối với các giải pháp về sa thải phụ tải, nó luôn là mối quan tâm chính từ hai phía nhà cung cấp và người sử dụng điện. Các mô hình sa thải phụ tải trước đây chưa đề cập đến lượng công suất điều khiển sơ cấp và điều khiển thứ cấp trong của mỗi máy phát, chính vì vậy gần đây có vài đề tài nghiên cứu sa thải có tính đến lượng công suất này của các máy phát đã được phát triển. Đa phần các phương pháp sa thải phụ tải dựa trên sự suy giảm tần số trên hệ thống điện.
Sử dụng một yếu tố về tần số để sa thải thì kết quả trong một số trường hợp về độ tin cậy thường kém chính xác. Các cải tiến về các phương pháp truyền thống này đã dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật sa thải phụ tải dựa trên tần số cũng như tốc độ thay đổi của tần số [14]. Kết quả là chương trình sa thải phụ tải được nâng cấp hơn, tăng độ chính xác. Ở Việt Nam phần lớn dùng phương pháp sa thải phụ tải bằng relay sa thải phụ tải dưới tần số 81.
Khi tần số giảm đến điểm nhận đầu tiên chắc chắn được xác định trước phần trăm của tổng phụ tải được sa thải. Nếu có một sự giảm tiếp trong tần số và nó đạt đến điểm nhận thứ hai, tỷ lệ phần của tải còn lại được sa thải. Quá trình này diễn ra tiếp tục cho đến khi tần số tăng trên giới hạn dưới của nó. Tổng nguồn phát điện, tổng phụ tải trong hệ thống, tốc độ suy giảm tần số và tỉ lệ các thay đổi điện áp trong hệ thống điện được xem xét.
Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia Việt Nam là 50 Hz. Trong chế độ vận hành bình thường, tần số hệ thống điện được phép dao động trong phạm vi ± 0,2 Hz so với 5 Luan van Nghiên cứu khoa học ThS. Trần Tùng Giang tần số danh định. Ở các chế độ vận hành khác của hệ thống điện, dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục về chế độ vận hành bình thường được quy định tại Bảng 1.1 như sau [15]: Bảng 1.1: Dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục hệ thống điện về chế độ vận hành bình thường trong các chế độ vận hành khác của hệ thống điện quốc gia Chế độ vận Thời gian khôi phục, tính từ thời điểm xảy ra sự Dải tần số hành của cố (Áp dụng từ ngày 01 tháng 01 năm 2018) được phép dao hệ thống Trạng thái chưa ổn định Khôi phục về chế độ động điện (chế độ xác lập) vận hành bình thường 02 phút để đưa tần số 05 phút để đưa tần số về Sự cố đơn lẻ 49 Hz ÷ 51 Hz về phạm vi 49,5 Hz ÷ 50,5 phạm vi 49,8 Hz ÷ 50,2 Hz Hz Sự cố nhiều 10 giây để đưa tần số về phần tử, sự phạm vi 49 Hz ÷ 51 Hz 10 phút để đưa tần số về cố nghiêm 47,5 Hz ÷ 52 Hz 05 phút để đưa tần số về phạm vi 49,8 Hz ÷ 50,2 trọng hoặc phạm vi 49,5 Hz ÷ 50,5 Hz chế độ cực Hz kỳ khẩn cấp 6 Luan van Nghiên cứu khoa học ThS.
Trần Tùng Giang Bảng 1.2: Dải tần số được phép và số lần được phép tần số vượt quá giới hạn trong trường hợp sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc chế độ cực kỳ khẩn cấp Dải tần số được phép (Hz) Số lần được phép theo chu kỳ thời gian (“f” là tần số hệ thống điện) (tính từ thời điểm bắt đầu chu kỳ) 52 ≥ f ≥ 51,25 07 lần trong 01 năm 51,25 > f > 50,5 50 lần trong 01 năm 49,5 > f > 48,75 60 lần trong 01 năm 48,75 ≥ f > 48 12 lần trong 01 năm 48 ≥ f ≥ 47,5 01 lần trong 02 năm Trong đó, một lần tần số hệ thống điện vượt quá giới hạn được phép là một lần tần số hệ thống điện vượt quá giới hạn được phép trong khoảng thời gian từ 05 giây (s) trở lên. Tình huống mất điện đường dây 500kV là nguyên nhân thường gặp nhất mà có thể gây sụt tần số nghiêm trọng cho hệ thống điện miền. Theo các tính toán của Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia để đảm bảo yêu cầu về ổn định động lượng công suất truyền trên đường dây 500kV không được vượt quá 700MW. Để đảm bảo phục hồi tần số với tỷ lệ mất công suất như vậy thì lượng phụ tải sa thải phải ở mức 50-65%.
Giới hạn phụ tải tối đa có thể sa thải áp dụng cho HTĐ Việt Nam là 65%. Xác định mức cắt tải cho từng cấp tần số để tiết kiệm relay tần số, độ lệch tần số giữa các cấp được chọn là 0.2Hz trong dải tần số từ 49. Thời gian tác động của các cấp tần số này là 0s. Với kết lưới và chế độ khai thác các nguồn điện hiện tại thì trong hầu hết các tình huống sự cố tỷ lệ mất công suất không vượt quá 20-30%.
Do vậy để hạn chế việc cắt dư phụ tải trong các tình huống này, các cấp tần số từ 49.0 Hz được chỉnh định lượng cắt tải là 5%. Các cấp tần số 47.6Hz được chỉnh định lượng cắt tải là 10% và 15%. Lượng phụ tải sa thải ở các cấp hỗ trợ phục hồi tần số phải là 10% trở lên. Sử dụng tính năng cắt tải theo độ dốc.
Kết quả tính toán kiểm tra hoạt động của rơ- le tần số theo chế độ cắt tải, trong các tình huống sụt tần số thường xảy ra đối với hệ thống điện liên kết hay hệ thống điện miền đã cho thấy khả năng phục hồi tần số tránh rã lưới là hoàn toàn khả thi. 7 Luan van Nghiên cứu khoa học ThS. Trần Tùng Giang 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 (trên 50% phụ tải khu vực) sẽ gây ra sụt 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 [16]. Có thể thấy hệ thống ở trên sử dụng các cách như relay hay các giải thuật sử dụng ở điều kiện ổn định thì lượng công suất sa thải vẫn chưa đáp ứng vì chưa tính đến lượng công suất dự phòng được huy động từ các máy phát và có thể gây sa thải hơn mức cần thiết làm cho tần số vượt giới hạn cho phép.