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% [1]. 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 [2] 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 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 9 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học 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 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 trên toàn thế giới. 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, các kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi, các kỹ thuật sa thải phụ tải thông minh. Tổng quan về các kỹ thuật sa thải phụ tải được trình bày ở Hình 1.
Các kỹ thuật sa thải phụ tải Các kỹ thuật sa thải Các kỹ thuật sa Các kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống thải phụ tải thích phụ tải thông minh UFLS sa UVLS Artificial Adaptive Neural Fuzzy Neuro Genetic Particle thải phụ sa thải Fuzzy Swarm Network Logic Algorithm tải dưới phụ tải Infernce Optimization (ANN) Control tần số dưới System Hình 1.1: Tổng quan về các kỹ thuật sa thải phụ tải trong hệ thống điện 1. Kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống Sa thải phụ tải bằng relay tần số, hoặc điện áp là phương pháp được sử dụng chung 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. Trong các phương pháp sa thải phụ tải thông thường, 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) 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 10 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học điện giảm bằng cách giảm tải hệ thống điện để đáp ứng cân bằng công suất phát điện hiện có. 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 tuabin. 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.
Các nhà vận hành hệ thống truyền tải điện châu Âu (ENTSOE) đã đề nghị các bước sau đây để sa thải dưới tần số: Giai đoạn đầu tiên tự động sa thải phụ tải nên được khởi đầu ở 49 Hz Tại 49 Hz, ít nhất 5% tổng mức tải tiêu thụ nên được sa thải. Một mức 50% tải định mức nên được cắt bằng cách sử dụng relay dưới tần số trong dải tần số từ 49,0-48,0 Hz. Trong mỗi bước, sa thải không quá 10% tải thì được khuyên cáo. Thời gian trễ cắt tối đa nên là 350 ms bao gồm cả thời gian vận hành máy cắt.
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) [3], kiểm soát khu vực giữa Đại Tây Dương MAAC, Hội đồng điện tin cậy của Texas ERCOT [4], Hệ thống điện Việt Nam,… Bảng 1.1 Các bước sa thải tải của FRCC Tần số sa Lượng tải sa thải Các bước Thời gian Tổng số lượng thải tải (phần trăm tổng UFLS trễ (s) tải sa thải (%) (Hz) tải) (%) A 59.1 8 5 56 11 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Bảng 1.2 Các bước sa thải tải của MAAC Số lượng phần trăm Tần số cài đặt sa thải tải (Hz) tổng tải sa thải 10% 59.3 Chương trình sa thải tải của ERCOT Tần số sa thải Tải sa thải 59.3 Hz 5% Tải hệ thống (Tổng 5%) 58.9 Hz Cộng thêm 10% tải hệ thống (Tổng 15%) 58.5 Hz Cộng thêm 10% tải hệ thống (Tổng 25%) Đối với các máy phát điện, hoạt động điều tần được thực hiện như sau: Tại 49.8 Hz, chế độ khởi động nhanh nhà máy phải được thực hiện và kết nối với lưới điện. Đối với một 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. 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 một tần số 47,5 Hz; tình hình sẽ trở nên nghiêm trọng vào khoảng 44-46 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.
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. Sa thải phụ tải dưới điện áp UVLS được thực hiện để bảo vệ hệ thống điện tránh sụp đổ điện áp. Một cái nhìn chung, việc mất điện lớn, rã lưới đã xảy ra trên thế giới hầu hết được gây ra do các vấn đề mất ổn định điện áp [8]. Mất ổn định điện áp thường xảy ra do máy phát điện hoặc đường 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 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 [9]. 12 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Hình 1.2: Sơ đồ phân cấp điều chỉnh tần số trong HTĐ Việt Nam 48.5 51 Vùng điều chỉnh của Vùng điều chỉnh của nhà máy nhà máy điều tần cấp 1 điều tần cấp 1 Vùng điều tần Vùng điều chỉnh của của nhà máy Vùng điều tần cấp 2 nhà máy điều tần cấp 2 tần số dao Tự khởi động theo động tần số Tự động cắt tổ máy Tự động sa thải phụ tải theo tần số Tác động của Kỹ sư Tác động của Kỹ sư điều hành HTĐ QG điều hành HTĐ QG 48.5 51 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Các hạn chế của các kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống: Các phương pháp đề cập ở trên tập trung vào việc điều chỉnh tốc độ và độ chính xác hoạt động của hệ thống UFLS, UVLS. Các phương pháp này thường bị hạn chế bởi không thể cung cấp phương pháp sa thải phụ tải tối ưu.
Các phương pháp này chỉ cần làm theo một quy tắc định sẵn dựa trên cài đặt sẵn của các relay dưới tần số hoặc điện áp, trong đó một số lượng cố định tải được cắt ra khi tần số lệch khỏi giá trị cho phép. Nhược điểm chính của phương pháp này là nó không ước tính được lượng công suất mất cân bằng trong hệ thống. Kết quả là gây ra sa thải quá mức, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, hoặc dẫn đến ngưng cung cấp các dịch vụ điện, gây thiệt hại nhiều cho nền kinh tế. Việc sa thải tải quá mức đã không được ưa chuộng vì nó gây ra sự bất tiện cho khách hàng.