Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 22
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
2.4 Điều chỉnh tần số khẩn cấp
2.4.1 Các dạng điều chỉnh tần số khẩn cấp
Trong trường hợp sự cố nghiêm trọng, hệ thống điện mất ổn định do mất cân bằng công suất nguồn – tải. Khi mất nguồn lớn, công suất dự trữ dự kiến có thể khơng đủ để phục hồi tần số hệ thống, cần có một kế hoạch sa thải phụ tải tần số thấp (UFLS: Under Frequency Load Shedding) để cắt bớt tải theo một lộ trình định sẵn để cân bằng công suất. Đồng thời, khi tần số hệ thống giảm thấp tới ngưỡng tác động các relay bảo vệ tần số của máy phát điện sẽ cắt mát phát điện (UFGT: Under Frequency Generation Trip) ra khỏi hệ thống để bảo vệ máy phát. Khi mất tải lớn, công suất dư thừa từ các nhà máy điện đang vận hành có thể khiến tần số tăng cao, để cân bằng công suất hệ thống, một lộ trình sa thải máy phát khi tần số cao (OFGS: Over Frequency Generation Shedding) được áp dụng. Khi tần số quá cao, để bảo vệ máy phát điện, relay bảo vệ tần số máy phát cũng cắt máy phát điện ra khỏi hệ thống khi tần số cao (OFGT: Over Frequency Generation Trip).
Do đó, để nhanh chóng cân bằng nhu cầu cơng suất nguồn – tải khi sự cố, tránh sụp đổ hệ thống điện thì cần ln duy trì tần số hệ thống ổn định . Duy trì ổn định tần số hệ thống trong phạm vi cho phép đòi hỏi sự phối hợp của nhiều phương pháp điều khiển tần số khác nhau kết hợp với điểm làm việc thích hợp của các nhà máy trên hệ thống. Khi điểm làm việc của máy phát tới hạn thì các phương pháp như UFLS, UFGT, OFGS, OFGT, … được sử dụng để duy trì điểm làm việc này.
2.4.2 Tại sao sa thải phụ tải ?
Sa thải phụ tải (hay sa thải tải) là hành động bảo vệ được thiết kế của hệ thống điện để giảm bớt tải nhằm cân bằng cơng suất giữa nguồn-tải, đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện. Khi thống số hệ thống điện giảm xuống dưới mức cho phép thì quá trình sa thải tải khẩn cấp cần được sử dụng.
Sa thải phụ tải bảo vệ hệ thống chống lại sự suy giảm quá mức tần số hoặc điện áp của hệ thóng điện bằng cách cân bằng cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống. Phương pháp sa thải phụ tải phổ biến nhất là sa thải phụ tải theo tần số thấp (UFLS: Under Frequency Load Shedding), phương pháp này cắt một số lượng
lớn tải theo cài đặt trước nếu tần số hệ thống giảm xuống dưới ngưỡng tần số cho phép. Ngoài ra, phương án sa thải phụ tải theo điện áp thấp (UVLS: Under Voltage Load Shedding) cũng thường được sử dụng để bảo vệ hệ thống chống lại sự suy giảm quá mức của điện áp.
Khi sa thải phụ tải để phục hồi tần số hệ thống điện cần lưu ý đến dự trữ công suất tác dụng / cơng suất cơ (dự phịng quay) của các nhà máy phát điện. Ngồi khả năng tăng cơng suất phát của nhà máy tại thời điểm xảy ra nhiễu động lớn trên hệ thống, cịn cần tính đến thời gian đáp ứng của các bộ điều tốc govoner cũng như giới hạn dự phòng quay của từng vùng điều khiển tần số.
Phương pháp UFLS được dùng để tránh cắt điện diện rộng trên khu vực điều khiển tần số gây ra bởi các relay bảo vệ thấp tần khi có sự cố nghiêm trọng trên hệ thống. Số lượng tải được sa thải tùy theo loại tải và lượng công suất tác dụng mà các nguồn điện cịn lại có thể đáp ứng.
Sa thải phụ tải thường gồm nhiều giai đoạn có kế hoạch được hợp thành phương án sa thải phụ tải. Mỗi giai đoạn sa thải tải được đặc trưng bằng giới hạn tần số, số lượng tải, và thời gian trễ trước khi sa thải khác nhau. Khi có sự cố nghiêm trọng trên hệ thống, một phương án sa thải tải hiệu quả sẽ cắt tải hợp lý, số lượng tải tối thiểu và đáp ứng phục hồi tần số nhanh nhất có thể để đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy của hệ thống điện. Hệ thống điện sẽ đạt đến trạng thái cân bằng sau khi sa thải phụ tải làm việc và cắt giảm tải của hệ thống.
2.4.3 Phân loại các phương pháp sa thải phụ tải
Có nhiều phương pháp sa thải phụ tải được thảo luận và được áp dụng trong thực tế. Theo như [14] thì sa thải phụ tải được khái quát thành ba phương pháp chính là: Sa thải phụ tải truyền thống, sa thải phụ tải thích nghi và phương pháp sa thải phụ tải thông minh dựa trên thuật tốn máy tính.
Phương pháp sa thải phụ tải truyền thống (sa thải phụ tải tĩnh, sa thải phụ tải cố
định) cắt từng khối phụ tải nhất định tại từng giai đoạn. Khi thông số của hệ thống điện (tần số, điện áp, dịng điện) vượt qua giá trị ngưỡng cho phép thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt các tải được cài đặt sẵn. Phương pháp này cắt tải theo quy luật định và cố
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 24
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
định trong khi hệ thống điện luôn thay đổi theo thời gian. Cho nên, sa thải phụ tải truyền thống thường cắt lượng tải với cơng suất nhiều hơn hoặc ích hơn u cầu. Hầu hết các phương án sa thải tải hiện nay là kiểu truyền thống [17].
Ví dụ về chu trình sa thải tải của Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) [18], năm 2006 có chu trình sa thải tải như sau:
Bảng 2.2: Chu trình sa thải tải của ERCOT
Tần số sa thải Tải sa thải
59.3 Hz 5% Tải hệ thống
58.9 Hz Thêm 10% tải (15% Tải hệ thống) 58.5 Hz Thêm 10% tải (25% Tải hệ thống)
ERCOT chia ra 3 cấp sa thải phụ tải ứng với từng mức tần số khác nhau. Khi tần số nếu giảm xuống 58.5Hz, thì có đến 25% phụ tải bị sa thải.
Phương pháp sa thải tải thích nghi (sa thải tải động) dựa vào đặc tính và tốc độ
thay đổi của các thông số hệ thống điện để xác định lượng tải, và thời gian trễ cần thiết để cắt tải. Phương pháp sa thải tải thích nghi cắt một lượng tải thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của sự cố và đặc tính của hệ thống. Phương pháp sa thải tải thích nghi nâng cao được độ tin cậy so với sa thải tải thông thường. Tuy nhiên phương pháp này chưa tối ưu được sa thải phụ tải do sai số và nhiễu của việc đo lường tốc độ thay đổi của các thông số hệ thống.
Phương pháp sa thải tải thơng minh dựa theo thuật tốn máy tính là phương
pháp sa thải phụ tải tối ưu nhất dựa trên các chương trình điều khiển lập trình sẵn từ hệ thống máy tính. Phương pháp này liên tục phân tích các thơng số hệ thống từ đó đưa ra lượng sa thải phụ tải và thời gian sa thải tối ưu tùy thuộc vào khu vực, độ lớn của sự cố. Do hệ thống điện ngày càng mở rộng với sự tham gia của nhiều thiết bị điện mới trên lưới nên địi hỏi việc phân tích và tìm ra lộ trình sa thải phụ tải ứng với các loại sự cố đa dạng trở nên khó khăn hơn. Phương pháp sa thải tải thơng minh là phương pháp mới phù hợp cho hệ thống điện trong hiện tại và tương lai.
Trên thực tế, để đảm bảo vận hành tin cậy và ổn định của các hệ thống bảo vệ cần kết hợp các phương pháp sa thải phụ tải khác nhau vào hệ thống. Tùy vào từng
vị trí trên lưới điện mà có thể có một hoặc nhiều phương án sa thải phụ tải thích hợp. Trong tương lai, việc áp dụng phương pháp sa thải phụ tải thông minh cần được nghiên cứu nhiều hơn để tìm ra các phương pháp mới và ứng dụng vào trong thực tiễn.
2.4.4 Yếu tố lựa chọn sa thải tải
Để có được một chu trình sa thải tải hồn chỉnh cần tối ưu hóa 3 yếu tố: Thời điểm sa thải tải; Vị trí tải sa thải; Lượng tải sa thải. Việc lựa chọn 3 yếu tố này rất quan trọng trong các phương pháp sa thải tải.
Thời điểm sa thải tải được tính tốn theo độ biến thiên của tần số và điện áp
theo thời gian khi xảy ra sự cố trên lưới điện. Độ biến thiên này phụ thuộc rất nhiều vào hệ số quán tính H của hệ thống nguồn cũng như hằng số giảm chấn D của các tải [3]. Trong phương pháp sa thải tải truyền thống và phương pháp sa thải tải thích nghi, thời điểm sa thải tải được tính tốn và cài đặt cố định theo độ lệch của tần số / điện áp và độ biến thiên của tần số / điện áp. Trong phương pháp sa thải tải thông minh, độ biến thiên này được cài đặt và thay đổi theo thời gian tùy thuộc vào tình hình vận hành hệ thống.
Lượng tải sa thải tùy thuộc vào công suất mất đi trên hệ thống khi có sự cố
nghiêm gây ảnh hưởng nghiêm trọng và cần sa thải tải. Tùy thuộc vào độ lớn của công suất nguồn bị mất và mức độ ảnh hưởng của nguồn này đến hệ thống mà lựa chọn lượng tải sa thải phù hợp. Để đảm bảo liên tục cung cấp điện cho khách hàng, lượng tải sa thải phải được điều chỉnh sao cho tối thiểu mà vẫn giữ được tính ổn định của lưới.
Vị trí tải sa thải cũng rất quan trọng nhằm tối thiểu lượng tải sa thải và giảm tác
động đến lưới khi sự cố nghiêm trọng xảy ra. Vị trí tải sa thải được lựa chọn sao cho càng gần điểm xảy ra sự cố càng tốt [2]. Điều này giúp cho việc phục hồi hệ thống sau sự cố nhanh hơn, lượng tải sa thải cũng ít hơn, khu vực bị ảnh hưởng bởi sự cố nhỏ hơn. Thơng thường, vị trí sa thải tải được trung tâm điều độ hệ thống điện lựa chọn dựa vào vị trí địa lý của các tải trên lưới.
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 26
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
Chương 3:
SA THẢI TẢI THEO KHOẢNG CÁCH ĐIỆN
3.1 Đặt vấn đề
Trên lưới điện đang ổn định, khi có sự cố nghiêm trọng gây nhiễu động gây mất an tồn hệ thống thì chu trình sa thải tải phải được xem xét thực hiện. Các yếu tố như thời điểm sa thải tải, lượng tải sa thải và vị trí sa thải tải cần được tính trước để đáp ứng yêu cầu ổn định hệ thống một cách nhanh chóng.
Trên lưới điện thơng minh khi mà các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau về điện lẫn thông số vận hành, một sự nhiễu động từ một hay nhiều phần tử điều được phản ánh tới các phần tử còn lại qua hệ thống kênh truyền thông tin. Các thông tin thu thập được tổng hợp tại máy tính trung tâm và được gởi tới máy tính điều khiển / relay bảo vệ của các thiết bị trên lưới, các thông số cài đặt bảo vệ phải được tính trước ứng với từng trường hợp sự cố cụ thể trên lưới. Một sự cố nghiêm trọng như là sự cố về máy phát sẽ được chia sẻ trên mạng thông tin tới các thiết bị khác trên lưới và chương trình bảo vệ trên các thiết bị này sẽ thực hiện thao tác bảo vệ đã được tính và thiết lập sẵn.
Một chu trình làm việc của hệ thống sa thải thơng minh có thể tưởng tượng như hình 3.1.
Việc xác định 2 yếu tố thời điểm sa thải tải và lượng tải sa thải đã được đề cặp tới trong nhiều cơng trình nghiên cứu. Tuy nhiên, yếu tố vị trí tải sa thải được tính như thế nào khi mà máy tính chỉ có thể nhận và xử lý các số liệu của hệ thống? Như trong tài liệu tài liệu [19] trang 32, 33, để xuất dùng máy tính để mơ phỏng từng trường hợp tải rồi đưa ra giá trị về mức độ ưu tiên và thứ tự sa thải tải. Cách làm này chính xác nhưng khi áp dụng trên hệ thống lớn thì thời gian mơ phỏng sẽ rất lây. Một đề xuất chọn vị trí tải sa thải theo khoảng cách được đưa ra xem xét.
Hình 14: Lưu đồ chu trình sa thải tải thơng minh 3.2 Khoảng cách điện trên lưới
Ngày nay, các máy tính có thể chạy mơ phỏng hệ thống điện lớn và phức tạp. Tuy nhiên do số liệu mô phỏng quá nhiều và lớn gây khó khăn cho con người trong việc đọc và phân tích kết quả mơ phỏng. Để giải quyết vấn đề này, trí thơng minh nhân tạo được sử dụng và đòi hỏi yêu cầu về tốc độ xử lý cao của máy tính cũng như các giải thuật phức tạp. Vì vậy, cần giảm kích thước của mơ hình hệ thống bằng cách chỉ mô phỏng các phần tử ảnh hưởng lơn đến hệ thống. Điều này dựa trên thực tế rằng các phần tử nằm xa vị trí nhiễu động thì ít hoặc khơng bị ảnh hưởng. Để thực hiện việc này thì việc xem xét khoảng cách điện giữa các phần tử trong hệ thống là
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 28
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
cần thiết. Xuất phát từ ý tưởng trên, nhóm nghiên cứu của ơng Lagonotte Patrick đã đưa ra phương pháp tính khoảng cách điện trên lưới [20].
Theo bài báo [20], bằng cách sử dụng các thông số về lưới được tổng hợp thành các ma trận khác nhau, biểu thức toán học của khoảng cách điện giữa các nút và được trình bày như phần dưới đây.
3.2.1 Khoảng cách điện áp
Khoảng cách điện áp thể hiện lượng thay đổi về điện áp giữa hai nút khác nhau trên lưới.
Xem xét phần tử của các ma trận [Zbus], [Xbus] và [δV⁄δQ] để giải quyết quan hệ về mặt điện áp giữa các trạm biến áp. Độ lớn khoảng cách điện áp giữa hai nút của một mạng điện có thể được ước lượng dựa vào lượng suy giảm điện áp (độ sụt áp) tối đa giữa hai nút này. Lượng suy giảm này có được từ ma trận [δV⁄δQ]; để làm được điều này, chỉ cần chia các giá trị của mỗi cột với các số hạng thuộc đường chéo. Với ma trận [Xbus], giá trị của mỗi cột được chia với các số hạng thuộc đường chéo. Tính tốn tương tự cho ma trận [Zbus], sau khi chia hai số phức, để có được ma trận suy giảm thì cần phải lấy mơ-đun của kết quả chia.
Gọi i, j là nút cần xét trên hệ thống, khi có ma trận suy giảm điện áp giữa tất cả các nút của hệ thống, với các thông số được ký hiệu là αij. Mỗi thông số αij của ma trận cung cấp một số đo lượng suy giảm điện áp tại nút i sau một nhiễu động được tạo ra tại nút j. Ta có:
∆V = α ∗ ∆V với α = ⁄
Hoặc α = ⁄ hoặc α = ( ⁄ )⁄ ⁄ (3.1)
Ma trận suy giảm [α] thì khơng đối xứng, vì: = ≠ =
Gọi khoảng cách điện áp giữa hai nút i, j là Dv(i,j). Khoảng cách Dv(i,j) là một số thực dương với điều kiện Dv(i,j) = Dv(j,i). Để tìm được khoảng cách giữa hai nút từ αij, một mạng đơn giản như trong hình 14 thể hiện sự suy giảm diện áp từ nút này đến nút khác.
Hình 15: Sự suy giảm điện áp trên một ví dụ đơn giản
Để chuyển đổi kết quả trên thành tổng, ta có thể lấy logarit của thơng số suy giảm αij.
Dv(i,j) = Log(αij)
Tuy nhiên, để thu được kết quả Dv(i,j) = Dv(j,i), ta có thể dùng biểu thức dưới đây như là cơng thức dùng để tính khoảng cách điện áp.
Dv(i,j) = Dv(j,i) = Log(αij*αji ) (3.2) Khi dùng ma trận [XBus] để tính khoảng cách điện áp, cơng thức trên có thể được viết lại thành dạng:
( , ) = ( ) + − 2. (3.3)
3.2.2 Khoảng cách điện pha
Trong tính tốn phân bố cơng suất, ta thường tách rời mối liên hệ vật lý giữa cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng. Có sự khác nhau về độ thay đổi của các đại lượng vất lý này. Do đó, ở phần trên chúng ta xem xét khoảng cách điện áp là mối liên quan giữa công suất phản kháng và điện áp; ở phần này ta sẽ tìm hiểu khoảng cách pha thể hiện mối liên hệ giữa cơng suất tác dụng và góc pha.
Xem xét thông số của các ma trận [Xbus], [Zbus] và [δθ/δP] dùng để xác định