Bài giảng: Điều khiển tần số trong hệ thống điện - TS. Nguyễn Đức Huy. Bài giảng được trình bày với các nội dung: Mục đích điều khiển tần số, điều khiển tần số với các loại máy phát điện, sơ đồ khối hệ thống điều tốc, điều tần cấp I, sa thải phụ tải, điều tần cấp II – AGC, điều tần cấp III. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết tài liệu.
ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Nội dung Mục đích điều khiển tần số Điều khiển tần số với loại máy phát điện Sơ đồ khối hệ thống điều tốc Điều tần cấp I Sa thải phụ tải Điều tần cấp II – AGC Điều tần cấp III Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mục đích điều khiển tần số Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mục đích điều khiển tần số Trong hệ thống điện sử dụng máy phát điện đồng bộ, công suất phát điện cân công suất tải, tần số hệ thống không đổi (tốc độ quay máy phát ổn định) Tần số cần trì ổn định giới hạn cho phép Tần số lưới điện Châu Âu Tần số lưới điện Ấn Độ Khi hệ thống điện vận hành ổn định, tần số đo điểm hệ thống Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mục đích điều khiển tần số Dự án FNET: quan sát tần số toàn nước Mỹ: http://fnetpublic.utk.edu/gradientmap.html Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ mơn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mục đích điều khiển tần số Diễn biến tần số hòa hai hệ thống điện Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ mơn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mục đích điều khiển tần số Diễn biến tần số tách lưới Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Diễn biến tần số ngày (India) http://www.nrldc.org/freqgraph.aspx 50.15 50.10 50.05 50.00 49.95 49.90 49.85 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Chú ý biến động tần số xảy thời điểm chuyển Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Khi tần số thay đổi Các tuabin máy phát Tần số sụt giảm làm tăng nguy xuất hiện tượng cộng hưởng (tuabin máy phát nhiệt điện) Khả làm việc tần số định mức nhà sản xuất cung cấp với loại tuabin Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Khi tần số thay đổi Các động Tần số sụt giảm làm giảm mô men điện động không đồng Ảnh hưởng gián tiếp đến tự dùng nhà máy điện (hệ thống làm mát, hệ thống bơm dầu áp lực, hệ thống nén khí) Các máy biến áp • Vận hành tần số thấp dẫn đến tượng kích thích (overexcitation) Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Khi tần số thay đổi Đáp ứng phụ tải điện theo tần số 10 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Hiện tượng sụp đổ tần số 11 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển công suất/tốc độ máy phát đồng Sự thay đổi tốc độ máy phát điện đồng phụ thuộc vào cân mô men điện mô men trục rotor: J d d Tm Te J0 Pm Pe dt dt Với hệ thống điện sử dụng máy phát đồng bộ, điều khiển tần số hệ thống có quan hệ trực tiếp đến điều khiển tốc độ máy phát đồng 12 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển công suấtsuất- tổ máy nhiệt điện • Chế độ boiler-follow: Van phản ứng theo cơng suất/tần số Lò điều khiển ổn định lại áp suất • Chế độ turbine-follow: Lò điều khiển cơng suất, van giữ áp suất cố định 13 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mô hình mơ tuabin 14 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển tần số - tổ máy thủy điện 15 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển tần số - tổ máy phát tuabin khí Cơng suất cấp cho tuabin phụ thuộc vào áp lực khí buồng đốt Khi tốc độ tuabin giảm, áp lực khí nén giảm công suất máy phát giảm 16 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển tần số - tổ máy tuabin khí 17 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển tần số - máy phát điện gió 18 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Đáp ứng tần số hệ thống điện 19 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 10 Câu hỏi ơn tập 5) Hệ số đặc tính điều tần cấp 1, R = 5% nghĩa ? a) Máy phát thay đổi 5% công suất đặt với biến thiên tần số 0.1 Hz Máy phát đảm nhận 5% thay đổi công suất hệ thống tần số thay đổi 0.1 Hz c) Công suất phát máy phát thay đổi 100% tần số thay đổi 5% 6) Nếu cố làm cho tần số hệ thống sụt xuống 0.04Hz hệ số điều chỉnh R = −100 MW/0.1 Hz, hệ thống đóng góp MW cơng suất để trì ổn định tần số? a) 400 MW b) 0.4 MW c) 4.0 MW d) 40 MW 76 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Câu hỏi ôn tập 7) Hệ thống A đảm bảo cân công suất phát tải Một máy phát hệ thống bên cạnh (B) bị cắt tần số sụt xuống 49.9 Hz Hệ số điều chỉnh công suất hệ thống A R =−50 MW/0.1 Hz Nếu hệ thống A đảm bảo giá trị R xác định cách xác, ACE A là: a) + 50 MW b) MW c) −50 MW Không câu trả lời 8) 1% thay đổi tần số thường dẫn đến % thay đổi công suất tải? a) Không thay đổi b) 0.1% c) 1% d) 2% 77 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 39 Câu hỏi ơn tập 9) Hệ số đặc tính điều tần cấp I (R) chỉnh định cho máy phát thay đổi 25MW công suất với thay đổi 0.1Hz tần số Công suất đặt máy phát 500MW Giá trị R bao nhiêu? a) 1% b) 1.2% c) 4% d) 5% 10) Một hệ thống điện có máy phát trang bị điều tốc Các máy phát có cơng suất đặt đặc tính điều tần cấp I (R) khác Đáp ứng điều tần cấp I (tính MW) lớn tổ máy: a) Công suất lớn, R lớn b) Công suất lớn, R nhỏ c) Công suất nhỏ, R lớn d) Công suất nhỏ, R nhỏ 78 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tiêu chuẩn điều khiển tần số Được xây dựng dựa cố cân công suất (reference incidence) Tiêu chuẩn quy định độ lệch tần số, thời gian tối đa để đưa tần số trở giá trị bình thường … 79 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 40 Sa thải phụ tải • Mất cân công suất phát tải dẫn đến biến động lớn tần số • Khi cân công suất lớn, hệ thống điều chỉnh công suất (điều tần cấp I) khơng đáp ứng Cần có biện pháp sa thải phụ tải để tránh cố lan rộng, rã lưới 80 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Sa thải phụ tải • Khi hệ thống huy động hết cơng suất dự phòng nóng, khơng bù đắp lượng cơng suất thiếu hụt, cần sa thải phụ tải Hệ thống có đủ dự phòng nóng Hệ thống thiếu hụt dự phòng nóng 81 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 41 Sa thải phụ tải Sự cố rã lưới Ấn Độ (31.07.2012) 51.5 Frequency (Hz) 51 50.5 50 49.5 49 48.5 48 10 15 Time (sec) 20 25 30 Sự cố tách lưới châu Âu, 4/11/2006 Sa thải phụ tải hiệu cho phép ngăn chặn sụt giảm tần số 82 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Sa thải phụ tải Mức độ biến thiên tần số thời điểm đầu xảy cố tỉ lệ với mức độ cân công suất 50.05 50 Frequency (Hz) 49.95 49.9 49.85 49.8 49.75 49.7 40 50 60 70 80 Time (sec ) 90 100 P = J d/dt Tháng 12/2014 110 120 83 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 42 Sa thải phụ tải sa thải máy phát Tất máy phát điện trang bị rơ le tần số thấp Ngưỡng chỉnh định rơ le tần số máy phát điện dựa đặc tính làm việc tuabin Ngưỡng chỉnh định rơ le sa thải phụ tải cần phối hợp với chỉnh định rơ le tần số máy phát điện 84 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Các yếu tố cần quan tâm Đặc tính làm việc tuabin máy phát (khả làm việc tần số thấp cao so với định mức) Quán tính hệ thống tuabin máy phát, qn tính chung tồn hệ thống Các kịch làm việc khác hệ thống điện (phân bố nguồn phát phụ tải theo khu vực) Mức độ công suất phản kháng yêu cầu máy phát chế độ làm việc (!?) 85 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 43 Sự bất định nguồn phụ tải Phụ tải không cố định theo thời gian, đặc tính phụ tải thay đổi theo ngày, theo mùa, phụ thuộc khu vực (dân cư, công nghiệp) Phân bố nguồn tải khu vực biến động theo thời gian, phụ thuộc vào nguồn lượng, giá thị trường … 86 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Chỉnh định rơ le sa thải phụ tải Chỉnh định rơ le sa thải phụ tải thường phân bố cho khu vực Có nhiều ngưỡng sa thải khác nhau, với mức độ sa thải thời gian trễ khác 87 (Chỉnh định rơ le tần số - lưới điện Ireland) Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 44 Sa thải phụ tải trạm biến áp Sơ đồ tập trung Sử dụng rơ le đo lường có độ xác cao, tiết kiệm chi phí Chỉnh định linh hoạt mức độ ưu tiên xuất tuyến cần sa thải phụ tải Dễ dàng tiến hành phục hồi tải Sơ đồ phân phối Sử dụng chức bảo vệ tần số tích hợp sẵn rơ le đa chức Thiết kế đơn giản Mức độ tin cậy cao có nhiều phần tử tác động (-) Tính tốn, thay đổi chỉnh định phức tạp (-) Thời gian phục hồi phụ tải lâu (do thời gian thu thập số liệu) 88 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Phương pháp đo tần số Rơ le điện • Thời gian đo tần số khoảng chu kỳ dòng điện • Thời gian tác động rơ le phụ thuộc tốc độ biến thiên tần số Rơ le số • Thời gian đo lường từ 2-3 chu kỳ dòng điện • Thời gian tác động không phụ thuộc vào độ biến thiên tần số •120ms window filter •20ms window filter 89 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 45 Rơ le tần số dựa df/dt Ưu điểm • df/dt tỉ lệ với mức độ cân cơng suất • Cho phép nhận biết cắt tải phù hợp với mức độ thiếu hụt công suất hệ thống Nhược điểm • Phép đo df/dt dễ mắc sai số, dao động cục máy phát 90 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Rơ le tần số dựa df/dt Giá trị df/dt phụ thuộc vào vị trí điểm đo tần số Có thể khắc phục nhược điểm phép đo df/dt cách đo giá trị trung bình 91 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 46 Kết hợp với kiểm tra dòng điện điện áp •Kiểm tra điện áp •Kiểm tra dòng điện 92 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều tần cấp III •Thay đổi giá trị cơng suất đặt máy phát tham gia điều tần cấp II • Đảm bảo khơi phục đủ dự trữ điều tần cấp II • Phân bố lại dự trữ công suất cho điều tần cấp II cách tối ưu Các tác động điều tần cấp III bao gồm • Đóng điện máy phát điện • Ngừng hoạt động nhà máy thủy điện tích • Phân bố lại công suất máy phát tham gia điều tần cấp II 93 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 47 Điều tần cấp III Thời gian tác động trình điều tần 94 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Phân bố tối ưu công suất Trong chế độ vận hành ổn định, phân bố công suất lịch phát tổ máy dựa tối ưu hóa chi phí sản xuất 95 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 48 Phân bố tối ưu cơng suất Hàm mục tiêu: Tối ưu hóa chi phí nhiên liệu cho tổ máy HT Đặc tính tiêu hao nhiên liệu tổ máy 96 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Phân bố tối ưu công suất Các ràng buộc: Cân công suất tác dụng Đảm bảo dự phòng nóng Ràng buộc nguồn lượng sơ cấp (khí, than nhà máy nhiệt điện, dung lượng nước nhà máy thủy điện) Giới hạn truyền tải công suất số nhánh Giới hạn công suất phát (công suất tối đa, công suất tối thiểu) Tốc độ tăng giảm công suất tổ máy Thời gian khởi động, thời gian dừng tổ máy 97 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 49 Phân bố tối ưu công suất Phương pháp giải Phương pháp nhân tử Lagrange Phương pháp quy hoạch động Phương pháp quy hoạch tuyến tính nguyên thực hỗn hợp (cần tuyến tính hóa hàm chi phí) 98 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Biến động tần số tổ máy khởi động/ngừng hoạt động Diễn biến tần số ngày – HTĐ Ấn Độ 50.15 50.10 50.05 50.00 49.95 49.90 49.85 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 99 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 50 Biến động tần số tổ máy khởi động/ngừng hoạt động Diễn biến tần số ngày – HTĐ Châu Âu 100 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Biến động tần số tổ máy khởi động/ngừng hoạt động •Ngun nhân: Sự tăng giảm cơng suất tổ máy thực theo lịch phát điện, theo Sự tăng/giảm tổ máy không thực khớp với biến động phụ tải •Hiện tượng đặc biệt rõ nét hệ thống vận hành theo thị trường điện 101 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 51 Biến động tần số tổ máy khởi động/ngừng hoạt động Hậu quả: Huy động cách khơng cần thiết dự phòng nóng hệ thống (điều tần cấp I cấp II) Giảm dự phòng nóng hệ thống, tăng nguy ổn định có cố xảy Tăng chi phí chung Tăng hao mòn thiết bị 102 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Biến động tần số tổ máy khởi động/ngừng hoạt động Một số giải pháp (tạm thời) Tăng u cầu dự phòng nóng hệ thống Tăng độ phân giải toán huy động tối ưu tổ máy (sử dụng block thời gian 15 phút) Dịch thời điểm tăng giảm công suất tổ máy (10 phút) Áp đặt tốc độ tăng/giảm tối đa cho số tổ máy có khả điều chỉnh cơng suất nhanh (thủy điện) 103 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 52 Đọc thêm Trần Bách, “Lưới điện hệ thống điện”, tập 2, NXB KHKT Trần Đình Long, “Tự động hóa hệ thống điện”, ĐHBK Hà Nội http://www.nrldc.org/freqgraph.aspx http://www.mainsfrequency.com/verlauf_en.htm http://fnetpublic.utk.edu/gradientmap.html http://www.ee.iitb.ac.in/~anil/ http://www.pse-operator.pl/uploads/kontener/542UCTE_Operation_Handbook.pdf http://www.sarienergy.org/PageFiles/What_We_Do/activities/CEB_Power_Systems_Simulation_Training,_Colo mbo,_Sri_Lanka/Course_ppts/Lecture_44_45_AGC_1_and_2.pdf 104 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 53 ... TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mục đích điều khiển tần số Diễn biến tần số hòa hai hệ thống điện Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Mục đích điều khiển. .. 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển tần số - tổ máy tuabin khí 17 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Điều khiển tần số - máy phát điện gió... 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Đáp ứng tần số hệ thống điện 19 Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN 10 Đáp ứng tần số hệ thống điện Các giai