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 thơng 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 đĩ ngăn cản sự suy giảm tần số/điện áp và các ảnh hưởng của nĩ.
Sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS)
Sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS) được áp dụng trong trường hợp cĩ 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 chĩng để ngăn ngừa tần số hệ thống điện giảm bằng cách giảm tải hệ thống điện để đáp ứng cân bằng cơng suất phát điện hiện cĩ. 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 nĩ, 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 [1]. 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:
Các kỹ thuật sa thải phụ tải Các kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi Các kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống Các kỹ thuật sa thải phụ tải thơng minh
UFLS sa thải phụ tải dưới tần số UVLS sa thải phụ tải dưới điện áp Artificial Neural Network (ANN) Adaptive Neuro Fuzzy Infernce System (ANFIS) Genetic Algorithm Fuzzy Logic Control Particle Swarm Optimization
9
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 khơng quá 10% tải thì được khuyến 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) [1], Hội đồng điện tin cậy của Texas ERCOT [2], Hệ thống điện Việt Nam [10], …
Bảng 1.1: Các bước sa thải tải của FRCC
Các bước UFLS Tần số sa thải tải (Hz) Thời gian
trễ (s) Lượng tải sa thải (phần trăm tổng tải) (%) Tổng số lượng tải sa thải (%) A 59.7 0.28 9 9 B 59.4 0.28 7 16 C 59.1 0.28 7 23 D 58.8 0.28 6 29 E 58.5 0.28 5 34 F 58.2 0.28 7 41 L 59.4 10 5 46 M 59.7 12 5 51 N 59.1 8 5 56
Bảng 1.2: 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 (57.5 Hz) [3], [11]. Điều này là cần thiết để bảo vệ máy phát điện và các thiết bị phụ trợ của nĩ 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
10
nữa, hoạt động phát điện tại 47,5 Hz hoặc thấp cĩ thể làm hỏng cánh turbine và làm giảm tuổi thọ của nĩ [4]. Do đĩ, 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.
Vấn đề sa thải phụ tải trong hệ thống điện Việt Nam
Quy định tần số định mức trong hệ thống điện Việt Nam là 50Hz. Ở các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống tần số được phép dao động trong phạm vi quy định. Tần số được phép dao động từ 49,8Hz đến 50,2Hz trong điều kiện vận hành bình thường. Khi sự cố xảy ra, tần số được phép dao động trong khoảng 49,5Hz đến
50,5Hz. Theo Quy trình lập kế hoạch, huy động dịch vụ điều tần và dự phịng quay,
do Cục Điều Tiết Điện Lực Bộ cơng thương Việt Nam ban hành 2015 [8], điều khiển tần số thứ cấp ở Việt Nam được chia làm 03 cấp như sau :
˗ Điều khiển tần số cấp I là đáp ứng của hệ thống AGC nhằm duy trì tần số định
mức 50,0Hz với dải dao động cho phép ± 0,2Hz.
˗ Điều khiển tần số cấp II là điều chỉnh tự động hoặc điều chỉnh bằng tay các tổ máy phát điện nhằm đưa tần số nằm ngồi khoảng 50,0 ± 0,5Hz về giới hạn trong khoảng 50,0 ± 0,5Hz.
˗ Điều khiển tần số cấp III (sau đây viết tắt là điều tần cấp III) là điều chỉnh bằng sự can thiệp bởi lệnh điều độ để đưa tần số hệ thống điện vận hành ổn định theo quy định hiện hành và đảm bảo phân bổ kinh tế cơng suất phát các tổ máy phát.
Bộ điều tốc của tổ máy phát điện của nhà máy điện cĩ cơng suất lắp đặt trên 30 MW phải cĩ khả năng làm việc với các giá trị hệ số tĩnh của đặc tính điều chỉnh nhỏ hơn hoặc bằng 5%.
Các tổ máy phát điện tham gia điều tần phải cĩ khả năng thay đổi ít nhất 4% cơng suất định mức của tổ máy trong vịng 10 giây và cĩ thể duy trì mức thay đổi này tối thiểu trong 10 phút. Đồng thời các tổ máy này phải cĩ khả năng tăng hoặc giảm cơng suất tự động theo tần số một cách tự động.
Tổ máy cung cấp dịch vụ dự phịng quay phải cĩ khả năng tăng cơng suất trong vịng 25 giây và duy trì ở mức cơng suất đĩ tối thiểu 30 phút. Đồng thời các tổ máy này phải cĩ khả năng tăng cơng suất theo tần số tự động hoặc bằng tay.
11
Đối với trường hợp tần số thay đổi nhanh chĩng và vượt ra ngồi phạm vi tự điều khiển của các tổ máy phát điện khi mà điều khiển bằng tay khơng đủ thời gian để điều chỉnh hệ thống thì phương án sa thải tự động được dùng để điều khiển tần số hệ thống điện. Phân cấp điều khiển tần số ở hệ thống điện Việt Nam được trình bày ở hình 1.2.
Sa thải phụ tải dưới điện áp (UVLS)
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 [12]. 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 cơng suất phản kháng trong đường dây truyền tải thay đổi nghiêm trọng và cĩ thể gây ra sự cố mất điện nếu khơng phục hồi nhanh chĩng. Kỹ thuật UVLS được áp dụng bởi cơng ty điện lực để ngăn chặn sự mất ổn định điện áp và khơi phục điện áp đến giá trị định mức của nĩ [13].
12
Hình 1.2: Sơ đồ phân cấp điều chỉnh tần số trong HTĐ Việt Nam
Vùng tần số dao động cho phép Vùng điều chỉnh của nhà máy điều tầncấp 1 Vùng điều chỉnh của nhà máy điều tần cấp 1 Tác động của Kỹ sư điều hành HTĐ QG Tự khởi động theo tần số Tự động sa thải phụ tải theo tần số Tác động của Kỹ sư điều hành HTĐ QG Vùng điều tần của nhà máy điều tầncấp 2 50 49.8 49.5 49 48.5 50.2 50.5 51 50 49.8 49.5 49 50.2 50.5 51 48.5 Tự động cắt tổ máy Vùng điều chỉnh của nhà máy điều tần cấp 2
Chương 1
14
Những hạn chế của các phương pháp 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 khơng 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 đĩ 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 nĩ khơng ước tính được lượng cơng 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 [5]. Việc sa thải tải quá mức đã khơng được ưa chuộng vì nĩ gây ra sự bất tiện cho khách hàng. Các cải tiến về các phương pháp truyền thống này đã dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật sa thải phụ tải dựa trên tần số cũng như tốc độ thay đổi của tần số. Điều này dẫn đến dự đốn tốt hơn của phụ tải sẽ phải sa thải, và nâng cao độ chính xác.
Sau khi xem xét các thơng số cho sa thải tải, cần thiết phải cĩ các thiết bị phù hợp cho việc thu thập dữ liệu hệ thống để các dữ liệu đưa vào cho chương trình sa thải được chính xác như các giá trị thực tế. Thơng thường, các bộ phận đo lường pha được sử dụng để đo dữ liệu thời gian thực.
Sa thải phụ tải được dựa trên một chuẩn ưu tiên, cĩ nghĩa là sa thải những phụ tải quan trọng là ít nhất, các tải cơng nghiệp đắt tiền vẫn cịn được duy trì. Vì vậy, phương diện kinh tế đĩng một phần quan trọng trong các kế hoạch sa thải tải. Thơng thường, một phương pháp tiếp cận khác được sử dụng kết hợp. Tổng số lượng của tải phải sa thải được chia thành nhiều bước riêng biệt, nĩ được sa thải theo sự suy giảm của tần số. Ví dụ, khi tần số giảm đến điểm nhận đầu tiên chắc chắn được xác định trước phần trăm của tổng phụ tải được sa thải. Nếu cĩ một sự giảm tiếp trong tần số và nĩ đạt đến điểm nhận thứ hai, tỷ lệ phần của tải cịn lại được sa thải. Quá trình này diễn ra tiếp tục cho đến khi tần số tăng trên giới hạn dưới của nĩ. Số lượng tải bị sa thải trong mỗi bước là một yếu tố quan trọng về hiệu quả của chương trình.
Chương 1
15