2.2 Các giai đoạn của đáp ứng tần số và điều khiển tần số
2.2.1 Quán tính hệ thống điện
2.2.1.1 Tổng quan về quán tính hệ thống điện
Khái niệm về quán tính hệ thống điện và các công thức tính
Quán tính hệ thống điện được định nghĩa là khả năng của một hệ thống điện chống lại sự thay đổi tần số hệ thống nhờ sự phản kháng được cung cấp bởi động năng của các khối quay trong mỗi máy phát điện – tua-bin [6], [8]. Mức độ quán tính của một hệ thống ở bất kì thời điểm nào đều phụ thuộc vào lượng động năng được tích trữ trong các khối quay của các máy điện đồng bộ đang kết nối vào hệ thống, bao gồm các loại máy phát điện cũng như tải động cơ đồng bộ.
Hằng số quán tính 𝐻 của một máy điện đơn lẻ được xác định như công thức (2.3), đơn vị là giây (s), có thể được hiểu là thời gian để năng lượng (động năng) tích trữ trong các khối quay của một tua-bin – máy phát điện có thể cung cấp cho một tải bằng với công suất biểu kiến định mức của tua-bin – máy phát.
Hằng số quán tính 𝐻𝑠𝑦𝑠 của một hệ thống điện có thể được tính từ các công suất biểu kiến định mức và hằng số quán tính của từng tua-bin – máy phát:
𝐻𝑠𝑦𝑠 = ∑𝑁𝑖=1𝑆𝑛𝑖𝐻𝑖 𝑆𝑛,𝑠𝑦𝑠
(2.8)
Trong đó: 𝑆𝑛,𝑠𝑦𝑠 = ∑𝑁𝑖=1𝑆𝑛𝑖;
𝑆𝑛𝑖 là công suất biểu kiến định mức của máy phát 𝑖 (𝑀𝑉𝐴);
𝐻𝑖 là hằng số quán tính của khối tua-bin – máy phát 𝑖 (𝑠).
Các động cơ kết nối đồng bộ với hệ thống cũng đóng góp quán tính cho hệ thống và có thể được tính theo cách tương tự như các động cơ.
Ta có một cách khác thuận tiện hơn để biểu diễn quán tính của một hệ thống điện, đó là tính lượng động năng được tích trữ trong toàn bộ các khối quay của hệ thống (đơn vị MWs). Công thức tính đó được viết như sau:
𝐸𝑘,𝑠𝑦𝑠 = 𝑆𝑛,𝑠𝑦𝑠𝐻𝑠𝑦𝑠 = ∑ 𝑆𝑛𝑖𝐻𝑖
𝑁 𝑖=1
[𝑀𝑊𝑠] (2.9)
Các yếu tố ảnh hưởng đến quán tính hệ thống
Từ khái niệm và các công thức tính toán trên, ta thấy được độ lớn quán tính của hệ thống điện phụ thuộc trực tiếp vào số lượng, kích cỡ và hằng số quán tính riêng của các máy phát điện và tải động cơ đồng bộ đang vận hành trong hệ thống, hay nói cách khác là phụ thuộc vào độ lớn phụ tải của hệ thống (chế độ cao điểm/thấp điểm) và cơ cấu huy động nguồn điện.
29 Tuy nhiên, việc thống kê các tải động cơ trong vận hành cùng các thông tin cụ thể của chúng là khá khó khăn và không khả thi đối với người điều hành hệ thống điện.
Do đó, thành phần quán tính của tải động cơ thường được tính gộp vào thành phần hằng số đáp ứng của tải (load damping).
Đối với các nguồn điện đồng bộ, hằng số quán tính là một thông số đặc trưng cho từng tổ máy phát, phụ thuộc vào thiết kế riêng của tua-bin – máy phát, ít phụ thuộc vào gam công suất của tổ máy cũng như loại hình nguồn điện.
Đối với các nguồn điện không đồng bộ, như các nguồn điện gió, điện mặt trời…đấu nối vào hệ thống qua thiết bị biến đổi công suất (power converter), công suất điện đầu ra của các nguồn này có thể thay đổi tức thời và không liên quan đến tần số hệ thống. Do đó, các nguồn này không cung cấp một đáp ứng quán tính tự nhiên và không đóng góp vào quán tính hệ thống.
Bảng dưới đây cho biết dải hằng số quán tính đặc trưng của các loại hình nguồn trên hệ thống điện Việt Nam, xét các nhà máy công suất đặt trên 30 MW.
Bảng 2.1: Dải hằng số quán tính, đóng góp đáp ứng quán tính của các loại hình nguồn đặc trưng trong hệ thống điện Việt Nam
Loại hình nguồn
Dải công suất toàn phần định mức (MVA)
Dải hằng số quán tính H
(s)
Dải đáp ứng quán tính H*MVAbase
(MW.s)
Thủy điện 18 - 444 1.6 – 6.5 29 - 2004
Nhiệt điện than tua-bin
hơi 29 - 752 1.4 – 5.0 24 - 3662
Nhiệt điện khí tua-bin
khí 28 - 314 1.2 – 6.7 46 - 2010
Nhiệt điện khí tua-bin
hơi 73 - 466 1.2 - 5 140 - 1682
Điện gió 0 0
Điện mặt trời 0 0
Tóm lại, độ lớn quán tính hệ thống tại một thời điểm phụ thuộc vào:
Độ lớn của phụ tải hệ thống, quyết định đến số tổ máy phát vận hành bám lưới;
Cơ cấu huy động nguồn, trong chế độ mà huy động cao các nguồn điện mặt trời, điện gió thì quán tính hệ thống sẽ giảm.
30 2.2.1.2 Đáp ứng quán tính với tần số hệ thống
Như trình bày ở mục 2.1.2, mọi sự thay đổi công suất ở phía tiêu thụ hay phía nguồn phát đều có ảnh hưởng tức thời và liên tục lên tần số hệ thống. Với những thay đổi nhỏ công suất thì chỉ được quan sát thấy dưới dạng những nhiễu động tần số không đáng kể. Tuy nhiên, khi có sự mất cân bằng công suất lớn xảy ra trong hệ thống, tần số sẽ có sự thay đổi lệch xa ra khỏi ngưỡng bình thường. Nếu xảy ra một sự thiếu hụt lớn đột ngột công suất nguồn (ví dụ một tổ máy bị trip sự cố), thì lượng công suất thiếu hụt đó sẽ được phân phối tới tất cả các khối quay kết nối đồng bộ. Khi động năng được giải phóng, tốc độ của các rô-to sẽ giảm và do đó tần số giảm. Tốc độ và mức độ sụt giảm tần số phụ thuộc vào mức độ thiếu hụt công suất và quán tính của hệ thống trước đó.
Đáp ứng quán tính chính là quá trình xảy ra tức thời sau khi mất cân bằng công suất trên hệ thống, động năng tích trữ trong các khối máy phát – tua-bin đồng bộ được tự động chuyển hóa thành điện năng cấp cho tải, cùng với đó là khối máy phát – tua-bin quay chậm lại và tần số hệ thống sụt giảm dần cho đến khi hệ thống được bù đắp thêm các nguồn dự phòng.
Tài liệu [6] có mô tả về diễn biến quá trình đáp ứng quán tính với tần số hệ thống từ lúc bắt đầu xảy ra sự cố trip tổ máy phát 1000 MW đến khi tần số ổn định ở chế độ xác lập sau sự cố, cùng với đáp ứng của tải phụ thuộc theo tần số và đáp ứng của nguồn dự phòng điều tần (FCR – Frequency containment reserves), như biểu đồ Hình 2.3. Diễn biến quá trình đáp ứng quán tính như sau:
Lượng công suất sự cố 1000 MW được thay thế bởi đáp ứng quán tính tức thời sau sự cố;
Khi các nguồn dự phòng điều tần (sơ cấp, thứ cấp) bắt đầu tăng công suất hoặc tải bắt đầu giảm theo sự giảm tần số, đáp ứng quán tính bắt đầu giảm dần;
Khi tần số đạt đến điểm thấp nhất (nadir point), đáp ứng quán tính bằng 0.
Sau đó, tần số bắt đầu tăng, các máy điện quay đồng bộ bắt đầu tăng tốc và đáp ứng quán tính đổi chiều từ dương sang âm;
Khi đạt được sự cân bằng công suất cơ – điện mới, tần số ổn định không thay đổi. Ở trạng thái này đáp ứng quán tính bằng 0.
31 Hình 2.3: Diến biến quá trình đáp ứng quán tính với tần số hệ thống
sau khi sự cố 1000 MW nguồn phát.
Đáp ứng quán tính có một đóng góp quan trọng đến độ ổn định của hệ thống trong giai đoạn ban đầu sau khi xảy ra sự cố trip tổ máy, nó quyết định đến tốc độ thay đổi tần số ban đầu của hệ thống (RoCoF – Rate of Change of Frequency) và điểm tần số giảm thấp nhất [6] [8]. Khi quán tính hệ thống càng thấp, RoCoF càng cao và điểm tần số thấp nhất càng giảm sâu so với giá trị định mức. Trong trường hợp RoCoF quá cao – tức tần số sụt giảm quá nhanh, có thể không đủ thời gian cho các đáp ứng tần số khác triển khai kịp thời để khôi phục tần số lên trên ngưỡng đặt của các mạch sa thải phụ tải tần số thấp (49,0 Hz với hệ thống điện Việt Nam).
Ảnh hưởng của độ lớn quán tính hệ thống (GW.s) thời điểm trước sự cố mất nguồn đối với diễn biến sụt giảm tần số hệ thống như Hình 2.4 dưới đây.
Hình 2.4: Ảnh hưởng của độ lớn quán tính hệ thống đối với diễn biến sụt giảm tần số sau sự cố mất nguồn.