Đối với hệ thống điện Việt Nam phƣơng pháp sa thải phụ tải mới đƣợc thực hiện bởi 3 nhóm rơle. Nhóm I và II áp dụng cho toàn hệ thống điện (các khu vực 1 - 7), nhóm III hiện tại chỉ áp dụng cho các khu vực 1, 2, 3, 4. Việc phân nhóm rơ-le tần số đƣợc thực hiện nhƣ sau:
32
Các rơ-le tần số của nhóm này tác động tức thời để cắt tải khi tần số giảm xuống dƣới giá trị đặt nhằm ngăn chặn khả năng sụt tần số dƣới 47.5Hz (bảng 1).
Bảng 3.1. Các cấp rơ-le tần số của nhóm I
Tần số, Hz
Lƣợng cắt tính theo % phụ tải khu vực (thời gian cắt t=0 s) Miền Bắc, Trung Miền Nam 49.0 5 5 48.8 5 5 48.6 5 5 48.4 5 5 48.2 5 5 48.0 5 15 47.8 10 15 47.6 15 Tổng cộng 55 55
Lƣợng công suất cần phải sa thải ở mỗi mức đặt sẽ đƣợc phân bố theo tỷ lệ phụ tải của từng khu vực 1 - 7 nêu trên trong mọi chế độ hệ thống điện.
Theo tính toán của Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia, khi đƣờng dây 500kV liên kết lƣới điện các miền thì hầu nhƣ không có khả năng tần số giảm xuống dƣới 48,2Hz vì sự cố gây thiếu công suất nghiêm trọng nhất là 2 tổ máy Hoà Bình 2x240MW chiếm không đến 20% công suất toàn hệ thống. Cách phân bổ công suất nhƣ trên cho phép đảm bảo mức cắt tải nhƣ nhau tại các miền. Nếu mất đƣờng dây 500kV thì tần số trong từng miền có thể xuống dƣới 48,0Hz. Do các tổ máy tuabin khí trong lƣới điện miền Nam sẽ tách lƣới ở mức 47,5Hz nên chỉ áp
33
dụng đƣợc mức cắt tải hiệu quả ở tần số 47,8Hz. Vì vậy so với dự kiến ban đầu sẽ phải thay đổi mức sa thải trên lƣới điện miền Nam ở 48,0Hz từ 5% lên 15% (gộp chung với mức sa thải 10% ở 47,8Hz) còn 15% phụ tải sa thải ở 47,6Hz sẽ chuyển lên 47,8Hz.
Nhóm II:
Tác dụng của các rơ-le nhóm II là nâng mức tần số của hệ thống vào vùng hoạt động của các bộ điều khiển tần số của nhà máy sau khi sự suy giảm tần số đã đƣợc ngăn chặn nhờ tác động của nhóm I. Trị số chỉnh định và lƣợng cắt tải của nhóm II xem bảng 2.
Bảng 3.2. Chỉnh định rơ-le tần số nhóm II
Tầnsố [Hz]
Lƣợng tải cắt tính theo % phụ tải khu vực Tổng cộng t=10 s t=15 s t=20 s t=25 s
49,0 2,5 2,5 2,5 2,5 10
Tƣơng tự nhƣ nhóm I, lƣợng công suất cần phải sa thải ở các cấp rơ-le nhóm II sẽ đƣợc phân bố theo tỷ lệ phụ tải từng khu vực 1 - 7 trong mọi chế độ hệ thống điện.
Tổng lƣợng phụ tải sa thải theo nhóm I và II là 65% phụ tải khu vực.
Nhóm III:
Nhóm III là các rơ-le hoạt động theo độ dốc tần số, áp dụng cho các khu vực 1, 2, 3, 4. Trong nhiều chế độ vận hành tại các khu vực này chỉ có 1 - 2 tổ máy phát hữu công, đáp ứng không quá 40% phụ tải khu vực. Khi đó sự cố tách lƣới điện khu vực sẽ gây mất một lƣợng lớn (trên 50%) công suất, đồng thời vì có rất ít tổ máy đang hoạt động nên tần số suy giảm rất nhanh và tác động của các cấp tần số nhóm I không ngăn đƣợc việc sụt tần số xuống dƣới mức tách lƣới giữ tự dùng của các tổ máy trong khu vực. Sử dụng cắt tải theo độ dốc tần số cho phép thực hiện sa thải phụ tải một cách chọn lọc để khôi phục tần số trong tình huống này. Đối với toàn hệ thống điện quốc gia hay hệ thống điện miền thì xác suất mất công suất trên 50% là rất thấp nên hiện tại chƣa xem xét.
34
Chỉnh định rơ-le nhóm III và tỷ lệ cắt tải (tính theo % phụ tải khu vực) cho các khu vực 1 - 4 đƣợc xác định trong bảng 3. Rơ-le tác động tức thời khi có đủ 2 điều kiện: tần số lƣới điện thấp hơn giá trị tần số chỉnh định và tốc độ giảm tần số lớn hơn tốc độ chỉnh định. Rơ-le tác động theo độ dốc tại các khu vực 1, 3, 4 sẽ sa thải tất cả các phụ tải thuộc nhóm I và II nêu trên (65%), riêng tại khu vực 2 sẽ cắt thêm 10% phụ tải khác nhƣ chỉnh định.
Bảng 3.3 Chỉnh định rơ-le tần số nhóm III Khu vực Chỉnh định rơ-le tần số (t=0s) Tỷ lệ cắt tải Ghi chú Mức tần số f [Hz] Tốc độ df/dt [Hz/s] 1 49,0 - 2,0 65% Toàn bộ phụ tải nhóm I và II 2 49,0 - 2,5 65% Toàn bộ phụ tải nhóm I và II 49,0 - 3,0 10% 3 49,0 - 2,5 65% Toàn bộ phụ tải nhóm I và II 4 49,0 - 2,5 65% Toàn bộ phụ tải nhóm I và II
Riêng lƣới điện miền Trung với kết dây cơ bản hiện tại sau khi MBA T3 Đà Nẵng vào vận hành (mở các máy cắt 172 Đồng Hới, 100 Vĩnh Sơn, 173 Nha Trang) có một số khu vực có thể bị tách lƣới hoạt động độc lập khi sự cố nhƣ sau:
- Mất đƣờng dây 110kV Đà Nẵng - Tam Kỳ dẫn đến 1 tổ máy Vĩnh Sơn phải cấp cho phụ tải các trạm Tam Kỳ, Quảng Ngãi, Hoài Nhơn.
- Mất đƣờng dây 220kV Pleiku - Quy Nhơn dẫn đến 1 tổ máy Vĩnh Sơn phải cấp cho phu tải các trạm Đồn Phó, Quy Nhơn, Tuy Hoà, Vinashin.
Việc tính toán cho thấy với tình huống thứ nhất thì rơ-le nhóm I ngăn chặn đƣợc nguy cơ tách lƣới tổ máy Vĩnh Sơn. Trong tình huống thứ hai khả năng sụp đổ tần số khu vực là không tránh đƣợc.
35
3.3 Kết luận chƣơng
Trong chƣơng 3 này, dựa trên nghiên cứu về vấn đề sa tải trong HTĐ Việt Nam, việc lựa chọn thông số chỉnh định cho rơ le sa thải phụ tải trong quá trình thực hiện mô phỏng ở chƣơng 4 luận văn này có thể áp dụng một vài nguyên tắc sau dƣới đây:
- Bắt đầu thực hiện sa tải khi tần số giảm 1Hz so với giá trị định mức nếu cài đặt cho chức năng theo nấc tần số.
- Các nấc tần số đƣợc chọn cách nhau 0,2Hz.
- Độ dốc tần số nên đƣợc nghiên cứu mô phỏng với các giá trị khác nhau nằm trong khoảng từ -1Hz/s đến -2,5Hz/s.
36
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PSSE 4.1 Giới thiệu phần mềm PSSE
Chƣơng trình PSS/E (Power System Simulator for Engineering) là chƣơng trình phân tích, tính toán hệ thống điện của tập đoàn PTI (Power Technologies International) của Mỹ. Kể từ khi ra đời phiên bản đầu tiên năm 1976, chƣơng trình đã trở thành phần mềm thƣơng mại đƣợc sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực tính toán và phân tích lƣới điện trên toàn thế giới.
Phiên bản version PSS/E – 33 là phiên bản mới nhất PSS/E™ công bố bởi Siemens Power Transmission & Distribution, Inc., Power Technologies International (Siemens PTI) và đƣợc bổ sung thêm nhiều tính năng mới.
Chƣơng trình PSS/E là một bộ chƣơng trình tích hợp mô phỏng hệ thống điện trên máy tính. Cho phép nghiên cứu về mạng lƣới điện và các đặc tính của máy phát trong cả chế độ tĩnh và chế độ động. Có thể khai thác chƣơng trình trên các phƣơng diện chính sau [9]:
1. Tính toán trào lƣu công suất; 2. Tối ƣu hoá trào lƣu công suất;
3. Nghiên cứu các loại sự cố đối xứng và không đối xứng;
4. Mô hình động mô phỏng quá trình quá độ điện cơ, tính toán ổn định động của hệ thống.
Trong chƣơng trình PSSE, tất cả các phần tử của hệ thống điện nhƣ đƣờng dây, máy phát, phụ tải, máy biến áp, các mô hình điều khiển, … đều đƣợc mô hình hóa 1 cách chi tiết và càng ngày càng hoàn thiện [10]. Do đó, kết quả mô phỏng bằng phần mềm này có độ chính xác cao, đáng tin cậy và đƣợc rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới về lĩnh vực hệ thống điện sử dụng.
Trong luận văn này, tác giả sẽ sử dụng PSS/E – 33 để mô phỏng quá trình ổn định động trong lƣới điện.
37
4.2 Đối tƣợng nghiên cứu
Trong luận văn này, đối tƣợng đƣợc nghiên cứu là lƣới điện Kundur là 1 lƣới điện đƣợc giáo sƣ Prabha Kundur (tác giả của cuốn sách Power System Stability) viết ra nhằm mục đích nghiên cứu các bài toán liên quan đến tính ổn định của hệ thống. Hiện nay lƣới điện này là mô hình đƣợc dùng phổ biến dùng để kiểm nghiệm và mô phỏng các bài toán về ổn định hệ thống điện [11].
Hình 4.1 Mô hình lưới điện Kundur
Lƣới điện Kundur bao gồm 11 nút, trong đó có 4 nhà máy. Hệ thống đƣợc chia làm 2 vùng có sơ đồ lƣới giống nhau và đƣợc nối với nhau qua 1 đƣờng dây kép giữa 2 nút 7 và 9. Mỗi vùng bao gồm 2 máy phát có công suất giống nhau và phụ tải của mỗi vùng đƣợc đặt tập trung tại nút 7 và nút 9. Tần số định mức của hệ thống là 60Hz.
4.3 Mô hình các phần tử trong PSSE
4.3.1 Mô hình máy phát và các bộ điều khiển máy phát
Trong lƣới điện Kundur bao gồm 4 máy phát đồng bộ có mô hình giống nhau và cùng công suất phát định mức là 900 MVA. Mỗi máy đƣợc mô phỏng bằng 1 mô hình máy phát và tuabin, 1 mô hình điều khiển điện áp và kích từ, cùng với 1 bộ điều tốc.
Các thông số của các bộ điều khiển đƣợc trình bày chi tiết ở các bảng 4.1, 4.2, 4.3 với việc chọn công suất cơ bản Sbase = 900 MVA (chọn bằng công suất định mức máy phát). Chi tiết đƣợc trình bày dƣới đây:
38
1. Mô hình máy phát:
Phần mềm PSS/E hỗ trợ rất nhiều mô hình máy phát với các thông số rất gần với thực tế. Trong mô phỏng này, cả 4 máy phát trong lƣới điện đều đƣợc giả sử là các máy phát nhiệt điện do đómô hình máy phát đƣợc sử dụng là loại GENROU (mô hình đƣợc dùng cho các máy phát cực ẩn nhiệt điện) [10].
Mô hình GENROU có sơ đồ khối nhƣ sau:
Hình 4.2 Mô hình máy phát cực ẩn GENROU
39
Bảng 4.1Thông số mô hình máy phát GENROU
Ký hiệu Mô tả Giá trị
T’do Hằng số thời gian 8,0000
T’’do Hằng số thời gian 0,0600
T’qo Hằng số thời gian 0,4000
T’’qo Hằng số thời gian 0,0500
H Hằng số quán tính 6,5000 D Hệ số hãm tốc 0,0000 Xd Điện kháng dọc trục 1,8000 Xq Điện kháng ngang trục 1,7000 X’d Điện kháng quá độ dọc trục 0,3000 X’q Điện kháng quá độ ngang trục 0,5500
X’’d Điện kháng siêu quá độ dọc trục 0,2500 Xl Điện kháng rò 0,2000 S(1.0) Hệ số bão hòa từ 0,0900 S(1.2) Hệ số bão hòa từ 0,3800 2. Mô hình bộ kích từ:
Phần mềm PSS/E cung cấp rất nhiều mô hình các bộ kích từ, từ đơn giản cho đến phức tạp. Trong mô phỏng này, mô hình kích từ đƣợc sử dụng là AC7B. Một mô hình có thời gian đáp ứng nhanh, ổn định và đƣợc dùng trong rất nhiều trong các nhà máy điện hiện nay[7]. Sơ đồ khối của mô hình AC7B nhƣ sau:
40
Hình 4.3 Sơ đồ điều khiển bộ kích từ AC7B
Thông số bộ kích từ AC7B đƣợc khai báo ở bảng 4.2 [7]:
Bảng 4.2 Thông số bộ kích từ AC7B
Ký hiệu Mô tả Giá trị
TR Hằng số thời gian bộ điều khiển 0,0200
KPR Hệ số tỷ lệ KP bộ điều khiển 4,2400
KIR Hằng số tích phân KI bộ điều khiển 4,2400 KDR Hằng số vi phân KD bộ điều khiển 0,0000
TDR Hằng số thời gian khối vi phân 0,0200
VRMAX Điện áp giới hạn max của bộ điều khiển 5,7900 VRMIN Điện áp giới hạn min của bộ điều khiển -5,7900
KPA Hệ số khuếch đại bộ tỷ lệ 1,0000
KIA Hệ số khuếch đại bộ tích phân 4,0000
41
VAMIN Giới hạn min bộ điều khiển -0,9500
KP 4,9600
KL Hệ số bộ giới hạn 10,0000
KF1 Hệ số phản hồi 1 0,2120
KF2 Hệ số phản hồi 2 0,2000
KF3 Hệ số phản hồi 3 0,5000
TF3 Thời gian phản hồi cố định 0,2000
KC Hệ số tải 0,1800
KD Hệ số khử từ 0,2000
KE Hệ số tự kích từ 1,0000
TE Thời gian cố định bộ kích từ 1,1000
VFEMAX Giới hạn max điện áp kích từ 6,9000 VEMIN Giới hạn min điện áp kích từ -1,0000
E1 Hệ số bão hòa 3,0200
S(E1) Hệ số bão hòa 0,0750
E2 Hệ số bão hòa 6,3000
S(E2) Hệ số bão hòa 0,4400
3. Bộ điều tốc
Mô hình máy phát đƣợc chọn là máy phát nhiệt điện cực lồi, do đó bộ điều tốc trong mô phỏng này đƣợc lựa chọn là TGOV2 (mô hình điều tốc dùng cho các máy phát nhiệt điện). Sơ đồ khối điều khiển và các thông số cài đặt cho bộ điều tốc đƣợc cho nhƣ dƣới hình 4.4 và bảng 4.5 [8]:
42
Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển bộ điều tốc TGOV2 Bảng 4.3 Thông số cài đặt cho bộ điều tốc TGOV2
Thông số cài đặt Giá trị
R (p.u.) 0,0990 T1 (> 0) 0,3000 VMAX 1,0000 VMIN 0,0000 K 0,3000 T3 (> 0) 2,0000 Dt 0,0000 Tt (> 0) 0,2000 TA 0,1000 TB 0,3000 TC 1,5000
4.3.2 Mô hình rơ le bảo vệ
Trong thực tế, mỗi phần tử của hệ thống điện đều đƣợc bảo vệ tự động bằng các rơ le. Các bảo vệ này có chức năng cách ly phần tử đƣợc bảo vệ ra khỏi sự cố một cách chọn lọc và đảm bảo thời gian tác động nhanh. Trong hệ thống điện có rất nhiều loại bảo vệ (quá dòng, khoảng cách, so lệch, …). Tuy nhiên trong phạm vi
43
nghiên cứu của luận văn tác giả chỉ đề cập đến mô hình rơ le sa thải phụ tải theo đặc tính tần số.
Nguyên lý hoạt động của rơ le sa thải theo tần số:
Mục đích của rơ le sa thải phụ tải theo tần số là phát hiện tình trạng tần số thấp trong hệ thống điện và cắt một số tải tránh cho hệ thống mất ổn định. Tần số các nút đƣợc quan sát ở các trạm biến áp và nếu tần số giảm xuống dƣới một ngƣỡng đặt nhất định f, mộtbộ đếm thời gian sẽ khởi động. Khi thời gian trễ đạt đến một giá trị đặt trƣớc t, máy cắt của xuất tuyến sẽ nhận đƣợc tín hiệu cắt khối phụ tải
d. Chú ý rằng nếu tần số trở về một giá trị cao hơn f trƣớc khi thời gian trễ đạt đến t thì rơ le sẽ bị reset. Hình mô tả hoạt động của một rơ le sa thải phụ thải theo tần số cho lƣới điện có tần số định mức là 60 Hz.
Hình 4.5Hoạt động của rơ le sa thải phụ tải.
Hầu hết các rơ le sa thải phụ thải theo tần số có nhiều hơn một tầng sa thải phụ tải (thƣờng là từ 3 đến 5 tầng sa thải phụ tải). Một rơ le tần số thấp có thể đƣợc thiết kế để tác động nhiều lần hoặc nhiều rơ le đƣợc sử dụng để tác động cho các tầng khác nhau.
Tất cả các máy phát đều phải có tính năng bảo vệ cắt tần số thấp. Tuy nhiên, việc cắt máy phát ra khỏi hệ thống khi các máy này không có khả năng hỗ trợ
44
việc phục hồi từ trạng thái tần số thấp dẫn đến việc phải có tiêu chuẩn để phối hợp sự làm việc của rơ le sa thải phụ tải khi tần số thấp và rơ le cắt máy phát tần số thấp, ví dụ nhƣ là cắt thêm một lƣợng tải tƣơng đƣơng với lƣợng công suất của máy phát bị tách khỏi hệ thống. Một số vấn đề đi kèm với việc cắt máy phát trong sự kiện tần số thấp nhƣ là giảm quán tính của toàn hệ thống hay là thiếu công suất phản kháng ở khu vực máy phát bị cắt sẽ làm tình trạng của hệ thống xấu đi. Bởi vậy, việc cắt máy cắt do tần số thấp trƣớc khi sa thải phụ tải tần số thấp hoạt động phải đƣợc giới hạn và tuân theo những tiêu chuẩn hết sức khắt khe.
Sa thải phụ tải theo tần số thấp phải đƣợc thiết kế cho điều kiện làm việc quá tải lớn nhất có thể và phải đảm bảo sa thải đủ lƣợng tải để phục hồi tần số hệ thống hay đƣa tần số về mức chấp nhận đƣợc với càng nhanh càng tốt. Điều này sẽ tránh đƣợc việc cắt các máy phát do tần số hệ thống giảm quá thấp.
Với các sự cố nặng nề, tần số hệ thống có thể giảm xuống rất nhanh trong vòng vài giây. Bởi vậy, việc sa thải phụ tải bằng tay, sa thải phụ tải do ngƣời vận hành