Nghiên ứu giải pháp nâng ao hất lượng điều khiển tần số hệ thống điện việt nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam LẠI VIỆT AN Ngành Kỹ thuật điện – Hệ thống điện Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Đức Huy Viện: Điện HÀ NỘI, 07/2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132071751000000 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Lại Việt An Đề tài luận văn: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện Mã số SV: CB170141 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 02/7/2020 với nội dung sau: Luận văn chỉnh sửa Ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS.TS Nguyễn Đức Huy Lại Việt An CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Đinh Quang Huy Lời cảm ơn Trong q trình học tập, nghiên cứu hồn thiện Luận văn, tác giả nhận khuyến khích, động viên tạo điều khiển giúp đỡ nhiệt tình thầy cô giáo, lãnh đạo, bạn bè đồng nghiệp gia đình Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô giáo Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đức Huy người trực tiếp hướng dẫn, truyền thụ kiến thức quý báu đóng góp ý kiến cho tác giả suốt q trình học tập hồn thành Luận văn thạc sĩ Tác giả xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới lãnh đạo đồng nghiệp Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia tạo điều kiện cho tác giả tham gia khóa học Thạc sĩ cho phép tác giả khai thác số công cụ phần mềm, thông tin, liệu trình nghiên cứu thực Luận văn Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn to lớn đến gia đình ln hỗ trợ, động viên suốt năm tháng học tập, nghiên cứu để đạt kết Với thời gian nghiên cứu hạn chế, nội dung Luận văn hẳn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp xây dựng từ thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện có ý nghĩa thiết thực áp dụng thực tiễn cơng tác Xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Nội dung luận văn tập trung vào việc đánh giá trạng, nghiên cứu, đưa giải pháp kiểm chứng hiệu giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam khung vận hành ngắn hạn (từ thời gian thực đến tiếng) Công cụ phần mềm tác giả sử dụng để nghiên cứu, kiểm chứng đáp ứng tần số hệ thống điện Việt Nam dựa ứng dụng mô đào tạo điều độ viên OTS (Operator Training Simulator) Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (EVNNLDC) Các kết đưa phù hợp với vấn đề nghiên cứu, có tính thực tiễn, khoa học chưa cơng bố tài liệu, đề tài Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Lại Việt An MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề, tóm tắt luận văn 1.1.1 Mục đích thực đề tài 1.1.2 Phạm vi thực bố cục nội dung đề tài 1.2 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam 1.2.1 Phụ tải điện 1.2.2 Nguồn điện 1.3 Hiện trạng chất lượng tần số tổ chức điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam 11 1.3.1 Tiêu chuẩn tần số cho hệ thống điện Việt Nam 11 1.3.2 Hiện trạng chất lượng tần số 12 1.3.3 Tổ chức điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam 19 LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 24 2.1 Tổng quan tần số hệ thống điện 24 2.1.1 Ý nghĩa điều khiển tần số 24 2.1.2 Tần số cân công suất hệ thống 25 2.2 Các giai đoạn đáp ứng tần số điều khiển tần số 28 2.2.1 Quán tính hệ thống điện 28 2.2.2 Điều khiển tần số sơ cấp 32 2.2.3 Điều khiển tần số thứ cấp 41 2.2.4 Điều khiển tần số cấp loại hình dự phịng điều tần 47 2.2.5 Tổng kết giai đoạn điều khiển tần số 48 ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TẦN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 51 3.1 Điều khiển tần số sơ cấp hệ thống điện Việt Nam 51 3.1.1 Hiện trạng đáp ứng tần số sơ cấp nhà máy điện 51 3.1.2 Phân tích đáp ứng tần số sơ cấp với cố điển hình 52 3.1.3 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số sơ cấp hệ thống điện Việt Nam 59 3.2 Điều khiển tần số thứ cấp hệ thống điện Việt Nam 62 3.2.1 Hiện trạng điều khiển tần số thứ cấp hệ thống điện Việt Nam 62 3.2.2 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số thứ cấp hệ thống điện Việt Nam 67 NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG TẦN SỐ DỰA TRÊN ỨNG DỤNG OTS 71 4.1 Giới thiệu hệ thống SCADA/EMS ứng dụng OTS EVNNLDC 71 4.1.1 Giới thiệu hệ thống SCADA/EMS 71 4.1.2 Giới thiệu ứng dụng OpenOTS 73 4.2 Mơ hình liệu mơ hệ thống điện OpenOTS 75 4.3 Mơ hình đánh giá đáp ứng tần số ứng dụng OpenOTS 78 4.3.1 Mô hình tần số 78 4.3.2 Tiến trình chung chạy mô hệ thống điện 79 4.4 Mô đáp ứng tần số OpenOTS kiểm chứng với đáp ứng thực tế 81 4.4.1 Mô đáp ứng tần số chế độ thấp điểm đêm 3h 81 4.4.2 Mô đáp ứng tần số chế độ cao điểm ngày 15h 82 4.4.3 Mô đáp ứng tần số chế độ cao điểm tối 21h 83 4.4.4 Đánh giá kết mô 84 4.5 Đánh giá hiệu số giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số 85 4.5.1 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số sơ cấp 85 4.5.2 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số thứ cấp 88 4.5.3 Kết luận đánh giá hiệu số giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số 94 KẾT LUẬN 96 5.1 Kết luận 96 5.2 Hướng phát triển Luận văn tương lai 96 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tăng trưởng sản lượng điện hệ thống điện quốc gia qua năm 2009-2019 Hình 1.2: Đồ thị phụ tải ngày điển hình mùa nóng (tháng – 9) Hình 1.3: Đồ thị phụ tải ngày điển hình mùa lạnh (tháng 10 – 3) Hình 1.4: Cơ cấu phụ tải điện quốc gia 2019 theo ngành Hình 1.5: Quy mơ tăng trưởng nguồn điện hệ thống điện Việt Nam, 2009 – 2019 Hình 1.6: Cơ cấu nguồn hệ thống điện Việt Nam 2019 phân theo loại hình nguồn Hình 1.7: Độ lệch tần số 50,2 Hz qua tháng năm 2019 14 Hình 1.8: Độ lệch tần số 50,2 Hz tính trung bình theo ngày tuần năm 2019 14 Hình 1.9: Tần số hệ thống điện Việt Nam tuần lễ Nguyên đán 2020 15 Hình 1.10: Độ lệch tần số 49,8 Hz qua tháng năm 2019 16 Hình 1.11: Diễn biến tần số có cố nguồn điển hình vào chế độ cao điểm tải cao 17 Hình 1.12: Diễn biến tần số có cố nguồn điển hình vào chế độ thấp điểm tải thấp 18 Hình 2.1: Đường giới hạn điện áp – tần số làm việc cho máy phát máy biến áp 24 Hình 2.2: Tần số với cân công suất nguồn – tải 26 Hình 2.3: Diến biến trình đáp ứng quán tính với tần số hệ thống sau cố 1000 MW nguồn phát 31 Hình 2.4: Ảnh hưởng độ lớn quán tính hệ thống diễn biến sụt giảm tần số sau cố nguồn 31 Hình 2.5: Sơ đồ khối điều khiển điều tốc tua-bin 32 Hình 2.6: Sơ đồ rút gọn hàm truyền điều khiển điều tốc 33 Hình 2.7: Đường đặc tính điều chỉnh lý tưởng trạng thái ổn định điều tốc 34 Hình 2.8: Các đường đặc tính làm việc điều tốc ứng với thay đổi điểm đặt tải 35 Hình 2.9: Đường đặc tính điều chỉnh điều tốc có dải chết ± 0.2 Hz 35 Hình 2.10: Kết hợp đáp ứng tần số điều tốc tải hệ thống 38 Hình 2.11: Bộ điều tốc với thành phần bù độ dốc độ 41 Hình 2.12: Khâu điều khiển tích phân tổ máy tham gia điều tần thứ cấp 42 Hình 2.13: Cơ chế tính tốn ACE phân bổ cơng suất đặt cho tổ máy 44 Hình 2.14: Các loại hình dự phòng nguồn 48 Hình 2.15: Các tác động tiếp diễn giai đoạn đáp ứng điều khiển tần số sau có cố đột ngột lượng nguồn phát lớn 50 Hình 3.1: Đồ thị tần số đáp ứng loại hình nhà máy cố điển hình chế độ cao điểm 54 Hình 3.2: Đồ thị tần số đáp ứng loại hình nhà máy cố điển hình chế độ thấp điểm 57 Hình 3.3: Đồ thị tần số đáp ứng điều khiển tần số với cố xếp chồng nhiều tổ máy hệ thống 65 Hình 3.4: Tần số trì ngưỡng cao liên tục vào trưa ngày 30/4/2020 66 Hình 3.5: Cơng cụ AGC điều chỉnh tự động giảm nguồn lượng tái tạo tần số vượt ngưỡng cao cần giám sát 69 Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống SCADA EVNNLDC 73 Hình 4.2: Kiến trúc trung tâm hệ thống SCADA/EMS EVNNLDC 73 Hình 4.3: Tổng quan mơ-đun chức cấu thành hệ thống OpenOTS 75 Hình 4.4: Mơ hình tần số OpenOTS 78 Hình 4.5: Tiến trình chung chu kỳ chạy mô hệ thống điện OpenOTS 80 Hình 4.6: Mô đáp ứng tần số cố tổ máy 600 MW chế độ thấp điểm đêm 82 Hình 4.7: Mơ đáp ứng tần số cố tổ máy 600 MW chế độ cao điểm ngày 83 Hình 4.8: Mơ đáp ứng tần số cố tổ máy 600 MW chế độ cao điểm tối 84 Hình 4.9: Đáp ứng tần số hệ thống với tất tổ máy tham gia điều tần sơ cấp, thông số điều tốc: độ dốc 4%, dải chết 0,1 Hz cho thủy điện 0,2 Hz cho nhiệt điện 86 Hình 4.10: Đáp ứng tần số hệ thống với tất tổ máy tham gia điều tần sơ cấp, thông số điều tốc: độ dốc 4%, dải chết 0,3 Hz 87 Hình 4.11: Đáp ứng tần số hệ thống với tất tổ máy tham gia điều tần sơ cấp, thông số điều tốc: độ dốc 6%, dải chết 0,1 Hz cho thủy điện 0,2 Hz cho nhiệt điện 88 Hình 4.12: Đáp ứng tần số hệ thống với cố N-1 tổ máy 600 MW, dự phòng cao điều tần thứ cấp 89 Hình 4.13: Đáp ứng tần số hệ thống với cố N-1-1 tổ máy 600 MW 300 MW,dự phòng cao điều tần thứ cấp 89 Hình 4.14: Đáp ứng tần số hệ thống với hệ số Frequency bias lớn, dự phòng điều tần thứ cấp vừa đủ 90 Hình 4.15: Đáp ứng tần số hệ thống với hệ số Frequency bias lớn, dự phòng điều tần thứ cấp cao 91 Hình 4.16: Các nguồn tua-bin khí điều tần phụ tải hệ thống giảm 93 Hình 4.17: Các nguồn tua-bin khí phối hợp thủy điện điều tần cố tổ máy 600 MW 93 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số liệu phụ tải hệ thống điện Việt Nam 2019 Bảng 1.2: Dải tần số phép dao động thời gian khôi phục hệ thống điện 11 Bảng 1.3: Dải tần số phép số lần phép tần số vượt giới hạn trường hợp cố nhiều phần tử, cố nghiêm trọng chế độ khẩn cấp 12 Bảng 1.4: Số lần tần số hệ thống điện vượt ngưỡng cho phép, năm 2018-2019 16 Bảng 2.1: Dải số qn tính, đóng góp đáp ứng qn tính loại hình nguồn đặc trưng hệ thống điện Việt Nam 29 Bảng 2.2: Tổng kết đặc điểm giai đoạn đáp ứng điều khiển tần số 49 Bảng 2.3: Tổng kết giai đoạn điều khiển tần số theo tiêu chuẩn NERC [4] 50 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT EVN EVNNLDC F81 HTĐ NLTT EMS OTS OpenAGC OpenOTS SCADA Tập đoàn Điện lực Việt Nam Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia Rơ-le tần số Hệ thống điện Năng lượng tái tạo Hệ thống chương trình quản lý lượng (Energy Management System) Hệ thống mô đào tạo điều độ viên (Operating Training Simulator) Hệ thống AGC hãng OSI trang bị EVNNLDC Hệ thống OTS hãng OSI trang bị EVNNLDC Supervisory Control and Data Acquicition GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề, tóm tắt luận văn 1.1.1 Mục đích thực đề tài Trong công tác điều độ vận hành hệ thống điện, việc điều khiển tần số khung thời gian thực cho tần số trì thường xuyên dải vận hành bình thường cho phép mục tiêu quan trọng Tần số hệ thống tiêu chất lượng điện nói quan trọng hệ thống điện Đặc biệt, với hệ thống điện Việt Nam hệ thống điện lớn khu vực, có quy mơ ngày phát triển, việc đảm bảo chất lượng điện nói chung chất lượng tần số nói riêng cần phải trọng có ý nghĩa định đến vận hành ổn định, tin cậy hệ thống điện Tuy nhiên, hệ thống điện Việt Nam lại phải đối mặt với nhiều thách thức lớn ảnh hưởng đến chất lượng tần số, tỉ trọng nguồn điện lượng tái tạo ngày cao với đặc điểm nguồn khơng đóng góp nhiều vào qn tính hệ thống có cơng suất phát bất định phụ thuộc vào biến động tức thời điều kiện thời tiết; nhiều nhà máy điện vận hành lâu năm, cơng nghệ lạc hậu nên khả đóng góp vào điều khiển tần số cịn hạn chế; việc ứng dụng tự động hóa cơng tác vận hành hệ thống điện cịn chưa cao… Vì việc nâng cao chất lượng tần số đảm bảo tuân thủ theo quy định hành cần phải trọng thời gian tới Do vậy, đặt vấn đề cần thiết phải có đánh giá toàn diện trạng chất lượng tần số điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam tình hình nay, từ nghiên cứu đưa giải pháp để nâng cao chất lượng điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam thời gian tới 1.1.2 Phạm vi thực bố cục nội dung đề tài Với mục đích thực trên, khuôn khổ đề tài này, tác giả tập trung vào việc đánh giá trạng, nghiên cứu, đưa giải pháp kiểm chứng hiệu giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển tần số hệ thống điện Việt Nam khung vận hành ngắn hạn (từ thời gian thực đến tiếng) Công cụ phần mềm tác giả sử dụng để nghiên cứu, kiểm chứng đáp ứng tần số hệ thống điện Việt Nam dựa ứng dụng mô đào tạo điều độ viên OTS (Operator Training Simulator) Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (EVNNLDC), kết đưa chưa công bố tài liệu, đề tài Nội dung Luận văn bố cục thành chương sau:  Chương 1: Giới thiệu chung Chương giới thiệu tổng quan hệ thống điện Việt Nam, trạng chất lượng tần số, hệ thống quy định liên