Bài giảng: Điều khiển tần số trong hệ thống điện - TS. Nguyễn Đức Huy

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.

Trang 1

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Nội dung

Trang 2

Tháng 12/2014 TS Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Mục đích điều khiển tần số

2

Mục đích điều khiển tần số

điện cân bằng công suất tải, tần số của hệ thống là không đổi (tốc độ quay

các máy phát ổn định)

thống là bằng nhau

Trang 3

Trang 4

Trang 5

Khi tần số thay đổi

Các tuabin máy phát

(tuabin máy phát nhiệt điện)

cấp với mỗi loại tuabin

8

Các động cơ

Trang 6

Đáp ứng của phụ tải điện theo tần số

10

Hiện tượng sụp đổ tần số

Trang 7

Điều khiển công suất/tốc độ máy phát đồng bộ

 Sự thay đổi tốc độ máy phát điện đồng bộ phụ thuộc vào cân bằng

mô men điện và mô men cơ trên trục rotor:

 Với hệ thống điện sử dụng các máy phát đồng bộ, điều khiển tần số

hệ thống có quan hệ trực tiếp đến điều khiển tốc độ các máy phát

đồng bộ

12

e m e

dt

d J T

T dt

Điều khiển công suất

Điều khiển công suất tổ máy nhiệt điện tổ máy nhiệt điện

điều khiển ổn định lại áp suất

suất cố định

13

Trang 8

Mô hình mô phỏng tuabin hơi

14

Điều khiển tần số

Điều khiển tần số tổ máy thủy điện tổ máy thủy điện

Trang 9

Điều khiển tần số tổ máy phát tuabin khí tổ máy phát tuabin khí

Trang 10

Điều khiển tần số máy phát điện gió máy phát điện gió

18

Đáp ứng tần số của hệ thống điện

Trang 11

Đáp ứng tần số của hệ thống điện

Các giai đoạn của đáp ứng tần số

 Đáp ứng do quán tính của các máy phát điện đồng bộ

 Đáp ứng do hệ thống điều tần sơ cấp (điều tần cấp I)

 Đáp ứng do hệ thống điều tần cấp II (AGC)

 Điều tần cấp III

20

Đáp ứng quán tính của hệ thống điện

của rotor và tuabin

lượng từ các máy phát được cung cấp cho hệ thống

do đáp ứng quán tính được cải thiện

21

Trang 12

Kết quả mô phỏng sự cố mất cân

bằng công suất, với các giá trị khác

Trang 13

Mô hình điều khiển công suất sơ cấp

24

Bộ điều tốc ly tâm

25

Trang 14

Bộ điều tốc điện tử

26

Bộ điều tốc

Tham số R (droop) của bộ điều tốc quy

định mức độ tham gia điều tần cấp I

của tổ máy

Trang 15

Bộ điều tốc

Xét riêng sơ đồ điều khiển của bộ điều tốc

Giá trị đặt của công suất phát

Trang 16

Điều tần cấp I

Các đại lượng được tính trong hệ đơn vị tương đối

Máy phát có công suất phát Pmax = 100MW

Trang 17

VD mô phỏng

VD mô phỏng Lưới điện 4 máy phát Lưới điện 4 máy phát

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 49.9

49.92 49.94 49.96 49.98 50 50.02

690 700 710 720 730

Điện áp và công suất truyền tải

Trang 18

VD mô phỏng

Đặc tính công suất - tần số của máy 1

Giai đoạn quá độ

Giai đoạn ổn định, đặc tính f-P bám sát đặc tính điều tần

Trang 19

Trang 20

Đáp ứng tần số với nhiều máy phát

Trang 21

Đáp ứng tần số với nhiều máy phát

Điện áp và cs truyền tải, 2 máy

Power (MW)

Actual response Desired response

49.94 49.95 49.96 49.97 49.98 49.99 50 50.01

Actual response Desired response

Đáp ứng tần số, 2 máy

41

Đáp ứng f-P có gì thay đổi khi hai

máy cùng tham gia điều tần?

Trang 22

Tăng độ nhạy của cả hai máy 1 và 4

Trang 23

Đặc tính điều chỉnh tần số cấp 1

• Chỉ sử dụng R = 0 đối với hệ thống vận hành cô lập

• Sử dụng R = 0,  0 với lưới điện nhiều máy phát sẽ có thể tạo ra

dao động giữa các bộ điều tốc, gây mất ổn định

Trang 24

tần số của hệ thống (“frequency response” (Mỹ), hoặc

“power-frequency characteristic” (châu Âu)).

• Có thể xác định K f dựa trên thay đổi trào lưu công suất trên

đường dây liên lạc, khi sự cố xảy ra ở một khu vực lân cận.

• Đơn vị: MW / 0.1 Hz hoặc MW / Hz

Trang 25

• Máy phát cần vận hành ở mức công suất thấp hơn cực đại để có

thể tham gia điều tần

49

Trang 26

Trang 27

• VD: Hệ thống điện 50Hz, tổng công suất tải P L = 10000MW Tỉ lệ

công suất các máy tham gia dự phòng nóng p = 60%, tỉ lệ dự

Trang 28

Chế độ xác lập sau sự cố xét đến điều tần cấp I

• Đáp ứng của điều tần cấp I và sự thay đổi trào lưu trên các đường

dây có thể xác định gần đúng, dựa trên thông số bộ điều tốc, hằng

số quán tính các máy phát.

• Các chương trình tính toán: chức năng governor power flow, hoặc

inertial power flow

Trang 29

Điều tần cấp II

Điều tần cấp II – – hệ thống cô lập hệ thống cô lập

• Điều tần cấp II có tác dụng như kênh điều khiển tích phân:

• = 0,  P+ P e – P ref = 0

• Hoặc có thể hiểu: P ref = P ref - P(thay đổi giá trị của P ref ).

56

Điều tần cấp II – – hệ thống cô lập hệ thống cô lập

Chỉ cần đặt điều tần cấp II ở một số tổ máy trong hệ thống

57

P

Trang 30

Điều tần cấp II – – hệ thống liên kết hệ thống liên kết

• Trong hệ thống liên kết, khi có biến động tần số, các máy phát

đồng bộ trong mỗi khu vực đều thực hiện điều tần cấp I, làm thay

đổi trào lưu công suất trên các đường dây liên lạc

• Điều tần cấp II chỉ thực hiện tại khu vực xảy ra mất cân bằng công

suất

• Khu vực xảy ra mất cân bằng công suất cần kích hoạt điều tần cấp

II, đưa tần số về 50Hz và khôi phục trào lưu công suất trên các

đường dây liên kết (quy tắc không can thiệp – non intervention

Đáp ứng do điều tần cấp I của một khu vực: Kf = P / f

2000 MW

Kf = -500 MW/0.1Hz

2000 MW

f = 50 Hz

Trang 31

2900 MW

Kf = -500 MW/0.1Hz

2900 MW 49.98 Hz

60

Sai số điều khiển khu vực (ACE)

ACE – Area Control Error

Nếu đặt  R của mỗi HT bằng với đáp ứng tần số K f của HT đó, ta có:

Trang 32

 Hệ thống điện châu Âu: R của một khu vực được xác định dựa trên

đáp ứng tần số mong muốn của toàn hệ thống, nhân với tỉ lệ điện

năng phát ra của khu vực trên tổng điện năng sản xuất toàn hệ

thống (theo năm)

 Hệ thống điện Bắc Mỹ: Các khu vực đo lường giá trị f và P trao-đổi

mỗi khi xảy ra các biến động về tần số gây ra do các hệ thống bên

cạnh Khi đó ACE = 0   R =(P trao đổi – P trao đổi, ref ) /(f - 50)

Trang 33

Vì đã biết vị trí xảy ra mất cân bằng công suất (khu vực 2), ta có thể

xác định được: ACE1 = 0; ACE2 = -100MW

Khu vực 1: 0 = 53 -  R1 (-0.16)   R1 = -321.25 MW/Hz

Khu vực 2: -100 = -49 -  R2 (-0.16)   R2 = -306 MW/Hz

Hãy tính thử giá trị Kf của hệ thống 1 và 2, dựa trên đặc tính điều tần

cấp I của các tổ máy và so sánh với kết quả tìm được?

65

Trang 34

Sử dụng ACE điều chỉnh công suất phát

• Tín hiệu ACE được đưa qua bộ điều khiển tích phân, từ đó xác định

lượng thay đổi công suất đặt của các nhà máy tham gia điều tần cấp II

• Mức độ tham gia điều tần cấp II của mỗi nhà máy được xác định bởi hệ

số  i

Chú ý: ACE < 0 thì khu vực cần tăng công suất

66

Để tránh tương tác giữa hệ thống điều tần cấp II của các khu vực khi

chúng cùng tham gia điều khiển trào lưu công suất trao đổi, giá trị đặt

Ptrao-đổi được điều chỉnh tăng dần hoặc giảm dần (phase in)

Trang 35

Ví dụ: Sơ đồ khối tính ACE – lưới điện 4 máy, 2 khu vực

68

Ví dụ: Sơ đồ khối tính ACE – lưới điện 4 máy, 2 khu vực

69

Trang 36

49.6 49.8 50

Time (sec)

40 50 60 70 80 90 100 110 120 400

450 500 550

49.8 49.9 50

0 50

Time (sec)

0 50

40 60 80 100 120 140 160 180 200 400

450 500 550

Trang 37

Điều tần cấp II dựa trên ACE

• Khi hệ thống có đủ dự trữ công suất, điều tần cấp II có thể đạt được cả

hai mục tiêu: f = 0, và P trao đổi = 0

• Khi hệ thống không đủ dự trữ công suất, tần số không thể trở về giá trị

Trang 38

Câu hỏi ôn tập

1) Tần số hệ thống điện:

a) Đo lường sự mất cân bằng giữa nguồn và tải

b) Thay đổi theo quan hệ với điện áp

c) Thay đổi từ khu vực này sang khu vực khác

d) Tất cả những câu trên

2) Hệ thống điện A được nối với hệ thống điện B qua đường dây liên lạc Một máy

phát ở hệ thống điện Bbị cắt ra Điều gì sẽ xảy ra?

a) Tần số tăng vượt quá 50Hz

b) Tăng trào lưu công suất phát trên đường dây liên lạc

c) Công suất phát trong hệ thống A giảm

d) Tất cả những câu trên

74

và tần số là 50.00 Hz Một sự cố trong hệ thống bên cạnh làm tần số sụt xuống

3) Sự thay đổi trào lưu công suất trên đường dây liên lạc sẽ như thế nào khi

tần số ở giá trị 49.96 Hz?

a) Nhận thêm công suất

b) Không thay đổi (0)

c) Phát thêm công suất sang hệ thống bên cạnh

Không câu trả lời nào đúng

4) Giá trị của ACE ở tần số 49.96 Hz?

Trang 39

5) Hệ số đặc tính điều tần cấp 1, R = 5% nghĩa là ?

a) Máy phát thay đổi 5% công suất đặt với biến thiên tần số 0.1 Hz

Máy phát sẽ đảm nhận 5% sự thay đổi công suất của hệ thống khi tần số

thay đổi 0.1 Hz

c) Công suất phát của máy phát thay đổi 100% khi tần số thay đổi 5%

6) Nếu một sự cố làm cho tần số hệ thống sụt xuống 0.04Hz và hệ số điều

7) Hệ thống A đang đảm bảo được cân bằng công suất phát và tải Một máy

phát của hệ thống bên cạnh (B) bị cắt ra và tần số sụt xuống 49.9 Hz Hệ số

a) + 50 MW

b) 0 MW

c) −50 MW

Không câu trả lời nào đúng

8) 1% thay đổi tần số thường dẫn đến bao nhiêu % thay đổi công suất tải?

a) Không thay đổi

b) 0.1%

c) 1%

d) 2%

77

Trang 40

9) Hệ số đặc tính điều tần cấp I (R) được chỉnh định sao cho máy phát sẽ thay

đổi 25MW công suất với thay đổi 0.1Hz tần số Công suất đặt của máy phát

là 500MW Giá trị của R sẽ là bao nhiêu?

a) 1%

b) 1.2%

c) 4%

d) 5%

10) Một hệ thống điện có các máy phát được trang bị bộ điều tốc Các máy

phát có công suất đặt và đặc tính điều tần cấp I (R) khác nhau Đáp ứng điều

Tiêu chuẩn về điều khiển tần số

Được xây dựng dựa trên một sự cố mất cân bằng công suất (reference

incidence) Tiêu chuẩn quy định độ lệch tần số, thời gian tối đa để đưa tần số

trở về giá trị bình thường …

Trang 41

Sa thải phụ tải

• Mất cân bằng giữa công suất phát và tải dẫn đến biến động lớn về tần số

• Khi sự mất cân bằng công suất quá lớn, hệ thống điều chỉnh công suất (điều tần

cấp I) có thể không đáp ứng được Cần có biện pháp sa thải phụ tải để tránh sự

cố lan rộng, hoặc rã lưới

80

• Khi hệ thống đã huy động hết công suất dự phòng nóng, nhưng không bù

đắp được lượng công suất thiếu hụt, có thể cần sa thải phụ tải.

Hệ thống có đủ dự phòng nóng Hệ thống thiếu hụt dự phòng nóng

81

Trang 42

Sự cố tách lưới châu Âu, 4/11/2006

Sa thải phụ tải hiệu

quả cho phép ngăn

chặn sụt giảm tần số

Mức độ biến thiên tần số tại thời điểm đầu khi xảy ra sự cố tỉ lệ với

mức độ mất cân bằng công suất

Trang 43

Sa thải phụ tải và sa thải máy phát

 Tất cả các máy phát điện đều được trang bị rơ le tần số thấp

 Ngưỡng chỉnh định của rơ le tần số các máy phát điện được dựa trên đặc tính

làm việc của tuabin

 Ngưỡng chỉnh định của rơ le sa thải phụ tải cần được phối hợp với chỉnh định

của rơ le tần số ở các máy phát điện

84

Các yếu tố cần quan tâm

và cao so với định mức)

của toàn hệ thống

nguồn phát và phụ tải theo khu vực)

chế độ làm việc (!?)

85

Trang 44

Sự bất định của nguồn và phụ tải

 Phụ tải không cố định theo thời gian, đặc tính phụ tải thay đổi theo

ngày, theo mùa, và phụ thuộc từng khu vực (dân cư, công nghiệp)

gian, phụ thuộc vào nguồn năng lượng, giá thị trường …

86

Chỉnh định rơ le sa thải phụ tải

Chỉnh định của rơ le sa thải phụ tải thường được phân bố đều cho các khu vực

Có nhiều ngưỡng sa thải khác nhau, với mức độ sa thải và thời gian trễ khác nhau

Trang 45

Sa thải phụ tải tại các trạm biến áp

Sơ đồ tập trung

 Sử dụng một rơ le đo lường có độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí

 Chỉnh định linh hoạt mức độ ưu tiên giữa các xuất tuyến khi cần sa thải

phụ tải

 Dễ dàng hơn khi tiến hành phục hồi tải

Sơ đồ phân phối

 Sử dụng chức năng bảo vệ tần số tích hợp sẵn trong các rơ le đa chức

năng

 Thiết kế đơn giản

 Mức độ tin cậy cao do có nhiều phần tử tác động

 (-) Tính toán, thay đổi chỉnh định phức tạp hơn

 (-) Thời gian phục hồi phụ tải lâu hơn (do mất thời gian thu thập số liệu)

88

Phương pháp đo tần số

Rơ le điện cơ

•Thời gian đo tần số khoảng 6 chu kỳ dòng điện

•Thời gian tác động của 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

Trang 46

Rơ le tần số dựa trên df/dt

Ưu điểm

•df/dt tỉ lệ với mức độ mất cân bằng công suất

•Cho phép nhận biết và cắt tải phù hợp với mức độ thiếu hụt công suất

trong hệ thống

Nhược điểm

•Phép đo df/dt dễ mắc sai số, do các dao động cục bộ của các máy phát

90

Rơ le tần số dựa trên df/dt

Giá trị df/dt phụ thuộc vào vị trí điểm đo tần số

Có thể khắc phục nhược điểm của phép đo df/dt bằng cách đo giá trị trung

bình

Trang 47

Kết hợp với kiểm tra dòng điện và điện áp

•Kiểm tra điện áp

•Kiểm tra dòng điện

92

Điều tần cấp III

•Thay đổi giá trị công suất đặt của các máy phát tham gia điều tần cấp II

• Đảm bảo khôi phục đủ dự trữ điều tần cấp II

• Phân bố lại dự trữ công suất cho điều tần cấp II một cách tối ưu

Các tác động của điều tần cấp III bao gồm

• Đóng điện các máy phát điện

• Ngừng hoạt động các nhà máy thủy điện tích năng

• Phân bố lại công suất các máy phát tham gia điều tần cấp II

93

Định dạng
Số trang	53
Dung lượng	3,23 MB