1.3 Hiện trạng chất lượng tần số và tổ chức điều khiển tần số của hệ thống điện Việt Nam
1.3.2 Hiện trạng chất lượng tần số
Tần số là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng điện năng của hệ thống điện. Tần số có một giá trị như nhau trong toàn hệ thống điện khi vận hành ở chế độ xác lập. Chất lượng điện năng xem như được đảm bảo nếu tần số biến đổi trong phạm vi cho phép quanh giá trị định mức (tiêu chuẩn về độ lệch tần số). Giá trị tối ưu của tần số là giá trị định mức.
Để đưa ra được hiện trạng chất lượng tần số hệ thống điện, cần phải đánh giá dựa trên bộ dữ liệu tần số đủ lớn (trong Luận văn này thực hiện khảo sát tần số hệ
13 thống điện trong một năm 2019 và các tháng đầu năm 2020), và đánh giá trên các khía cạnh sau:
Chỉ số độ lệch tần số (FDI), được tính bằng tỉ lệ giữa thời gian tần số vượt ngoài dải cho phép vận hành với tổng thời gian xét. Dải cho phép vận hành bình thường của tần số hệ thống điện Việt Nam là 50 ± 0,2 Hz.
Số lần tần số được phép ra ngoài ngưỡng trong một năm. Tiêu chuẩn đang quy định tại Thông tư Quy định hệ thống điện truyền tải cho số lần tần số ra ngoài ngưỡng 50 ± 0,5 Hz là < 130 lần trong năm.
Thời gian tần số cần phải khôi phục về ngưỡng bình thường khi xảy ra sự cố đơn lẻ hoặc sự cố nghiệm trọng. Quy định cụ thể như Bảng 1.2.
Kết quả đánh giá chất lượng tần số hệ thống điện Việt Nam trong năm 2019 như sau:
1.3.2.1 Độ lệch tần số so với dải vận hành bình thường
Đánh giá độ lệch tần số hệ thống điện ngoài dải 50 ± 0,2 Hz năm 2019, cho thấy tần số hệ thống có xu hướng ở ngưỡng cao trên 50,2 Hz tương đối nhiều thời gian trong năm, cao nhất là tháng 1 với chỉ số FDI là 41,5%, sau đó giảm dần đến tháng 8 có chỉ số FDI là 10,3%, các tháng 9-12 có chỉ số FDI ở mức 10-13%. Tính trung bình cả năm, chỉ số FDI tính cho ngưỡng tần số trên 50,2 Hz là 20,0%. Trong đó các ngày Chủ nhật có chỉ số FDI trung bình là 21,6 %, cao nhất so với các ngày khác trong tuần. Biểu đồ đánh giá chi tiết về độ lệch tần số trên ngưỡng 50,2 Hz trong cả năm 2019 như Hình 1.7 và Hình 1.8.
Tần số hệ thống điện có xu hướng cao trên 50,2 Hz nhiều nhất trong tháng 1- 3 so với các tháng còn lại và trong các ngày Chủ nhật so với các ngày khác trong tuần. Có thể giải thích do đây là các thời điểm mà phụ tải hệ thống điện giảm thấp nhất, số đầu máy phát huy động trên hệ thống giảm hoặc đã được phát mức tối thiểu, nên lượng công suất dự phòng điều tần ngưỡng cao không còn đủ để kéo tần số về giá trị định mức. Hơn nữa trong các chế độ phụ tải thấp, số tổ máy phát điện ít, thì người Điều độ viên hệ thống điện có thể chủ định đưa tần số lên mức cao hơn bình thường để dự phòng cho trường hợp sự cố N-1 một tổ máy xảy ra thì tần số không bị giảm quá thấp, do lúc này quán tính của hệ thống thấp hơn so với ở chế độ phụ tải cao. Đặc biệt trong các dịp Tết Nguyên đán, tần số hệ thống thường xuyên cao vượt ngưỡng 50,2 Hz, độ lệch tần số trên 50,2 Hz là 17,4% cao hơn nhiều nếu so với các tuần trước và sau đó. Biểu đồ tần số hệ thống trong Tết Nguyên đán 2020 như Hình 1.9, tần số cao nhất ghi nhận được 50.62 Hz vào 09h38 ngày 27/02/2020 tức mùng 3 Tết Canh Tý, tại khoảng thời gian này tần số trên 50,5 Hz liên tục trong 7 phút 18s (từ 9:33:04 đến 9:40:22).
14 Hình 1.7: Độ lệch tần số trên 50,2 Hz qua các tháng trong năm 2019.
Hình 1.8: Độ lệch tần số trên 50,2 Hz tính trung bình theo các ngày trong tuần năm 2019.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tháng 1
Tháng 2
Tháng 3
Tháng 4
Tháng 5
Tháng 6
Tháng 7
Tháng 8
Tháng 9
Tháng 10
Tháng 11
Tháng 12
Độ lệch tần số trên 50.2 Hz (%)
Thứ 2 Thứ 3 Thứ 4 Thứ 5
Thứ 6 Thứ 7 Chủ nhật
17.50 18.00 18.50 19.00 19.50 20.00 20.50 21.00 21.50 22.00
Thứ 2 Thứ 3 Thứ 4 Thứ 5 Thứ 6 Thứ 7 Chủ nhật
Độ lệch tần số trên 50.2 Hz (%)
15 Hình 1.9: Tần số hệ thống điện Việt Nam trong tuần lễ Nguyên đán 2020.
Đối với độ lệch tần số ở ngưỡng dưới 49,8 Hz, chỉ số FDI trung bình các tháng chỉ ở mức 0,3-1%, rất thấp so với chỉ số FDI ở ngưỡng trên 50,2 Hz, và dải đều ở các tháng trong năm cũng như các ngày trong tuần. Điều này cho thấy tần số hệ thống điện hầu như được duy trì ở mức trên 49,8 Hz, tần số giảm xuống mức thấp thường gắn với các sự kiện N-1 sự cố tổ máy phát hoặc sự cố lưới điện đấu nối các tổ máy dẫn đến mất cân bằng công suất giữa nguồn và tải trên hệ thống, làm tần số suy giảm thấp có thể xuống dưới mức 49,0 Hz và bắt đầu phải cắt giảm tải theo rơ- le tần số F81.
Đối với các sự cố tổ máy làm tần số giảm thấp, ta thường quan tâm đến điểm tần số sụt giảm thấp nhất (nadir point) và khoảng thời gian tần số khôi phục được về dải giá trị bình thường cho phép.
16 Hình 1.10: Độ lệch tần số dưới 49,8 Hz qua các tháng trong năm 2019.
1.3.2.2 Số lần tần số vượt ngoài ngưỡng
Thống kê số lần tần số vượt ngưỡng cho thấy năm 2019, số lần tần số ra ngoài phạm vi cho phép ít hơn nhiều so với 2018, nên FDI 2019 thấp hơn nhiều 2018.
Số lần tần số ra ngoài ngưỡng 50 ± 0,5 Hz năm 2019 là 191 lần - ít hơn năm 2018 (1310 lần) nhưng vẫn lớn hơn so với tiêu chuẩn tần số quy định tại Thông tư Quy định hệ thống điện truyền tải (191 lần so với 130 lần theo quy định). Bên cạnh đó, quy luật vượt ngưỡng có sự thay đổi nhiều: số lần vượt ngưỡng dưới dải đều các tháng trong năm và gắn liền với các sự cố tách các tổ máy phát lớn, số lần vượt ngưỡng trên tăng cao chủ yếu xuất hiện vào tháng 1, tháng 2 do đây là các tháng có nền phụ tải thấp và tháng 11 do hạn chế huy động các nhà máy thủy điện có khả năng điều tần tốt để tiết kiệm nước (năm 2019 là năm đặc biệt khô hạn, nước về các hồ thủy điện nói chung ở mức thấp hơn nhiều so với trung bình các năm). Chi tiết như bảng sau:
Bảng 1.4: Số lần tần số hệ thống điện vượt ngưỡng cho phép, năm 2018-2019 7
Các dải tần
số (Hz) Năm T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 Năm
52,0>f> 51,25
2019 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2018 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2019-2018 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
51,25>f> 50,5
2019 33 19 8 5 3 9 3 0 0 1 52 9 142
2018 161 221 122 163 109 60 77 47 63 62 70 50 1205
7 EVNNLDC annual report 2019.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Tháng 1
Tháng 2
Tháng 3
Tháng 4
Tháng 5
Tháng 6
Tháng 7
Tháng 8
Tháng 9
Tháng 10
Tháng 11
Tháng 12
Độ lệch tần số dưới 49.8 Hz (%)
Thứ 2 Thứ 3 Thứ 4 Thứ 5
Thứ 6 Thứ 7 Chủ nhật
17
Các dải tần
số (Hz) Năm T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 Năm 2019-2018 -
128 - 202
- 114
- 158
-
106 -51 -74 -47 -63 -61 -18 -41 -1063
49,5>f> 48,75
2019 2 7 3 2 11 9 1 6 3 2 1 2 49
2018 21 15 6 17 12 1 5 3 8 2 11 4 105
2019-2018 -19 -8 -3 -15 -1 8 -4 3 -5 0 -10 -2 -56
48,75>f> 48,0
2019 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2018 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2019-2018 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
48,0> f >47,0
2019 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2018 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2019-2018 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1.3.2.3 Sự khôi phục tần số khi xảy ra sự cố nguồn
Đánh giá cho sự cố N-1 một tổ máy phát trên hệ thống vào 2 chế độ cao điểm và thấp điểm trong năm 2019, ta thấy được tần số hệ thống có sự biến động không giống nhau, và thời gian tần số được khôi phục về trạng thái bình thường cũng thường không đảm bảo tuân thủ được hoàn toàn theo quy định như Bảng 1.2.
Sự cố trong chế độ cao điểm
Sự kiện: Ngày 22/5/2019 lúc 15h15, sự cố tổ máy S2 Nhiệt điện Mông Dương đang phát 622 MW, phụ tải hệ thống trước sự cố là ~32100 MW.
Diễn biến tần số: tần số từ 49,96 Hz sụt giảm về thấp nhất là 49,466 Hz trong 182s, và từ điểm thấp nhất trở về ngưỡng bình thường 49,8 Hz ÷ 50,2 Hz trong 146s. Như vậy trong sự kiện này mất 5 phút 28 giây từ thời điểm bắt đầu sự cố đến thời điểm tần số bắt đầu trở về ngưỡng bình thường.
Hình 1.11: Diễn biến tần số khi có sự cố nguồn điển hình vào chế độ cao điểm tải cao.
Sự cố trong chế độ thấp điểm
49.1 49.2 49.3 49.4 49.5 49.6 49.7 49.8 49.9 50 50.1 50.2
15:15:00 15:15:20 15:15:40 15:16:00 15:16:20 15:16:40 15:17:00 15:17:20 15:17:40 15:18:00 15:18:20 15:18:40 15:19:00 15:19:20 15:19:40 15:20:00 15:20:20 15:20:40 15:21:00 15:21:20 15:21:40 15:22:00 15:22:20 15:22:40 15:23:00
18
Sự kiện: Ngày 15/2/2019 lúc 5h46, sự cố tổ máy S2 Nhiệt điện Duyên Hải 1 đang phát 448 MW, phụ tải hệ thống trước sự cố là ~21400 MW.
Diễn biến tần số: tần số từ 49,95 Hz sụt giảm về điểm thấp nhất là 49,387 Hz trong chỉ 26s, từ điểm thấp nhất trở về ngưỡng 49,5 Hz trong 106s, từ ngưỡng 49,5 Hz trở về ngưỡng 49,8 Hz trong 48s. Như vậy trong sự kiện này mất 2 phút 12 giây từ thời điểm bắt đầu sự cố đến thời điểm tần số trở về 49,5 Hz, và mất 3 phút từ thời điểm sự cố đến thời điểm tần số bắt đầu trở về ngưỡng bình thường 49,8 Hz.
Hình 1.12: Diễn biến tần số khi có sự cố nguồn điển hình vào chế độ thấp điểm tải thấp.
Qua hai sự cố điển hình trên, có thể thấy ở chế độ phụ tải thấp, mặc dù lượng công suất tổ máy bị sự cố nhỏ hơn nhưng tần số sụt giảm sâu và nhanh hơn khá nhiều so với sự cố trong chế độ phụ tải cao. Nguyên nhân của sự khác nhau này sẽ được làm rõ hơn ở phần sau của Luận văn. Diễn biến từ khi tần số ở điểm thấp nhất khôi phục được về mức bình thường nhanh hay chậm sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào chất lượng đáp ứng tần số sơ cấp (primary frequency response) và đáp ứng tần số thứ cấp (secondary frequency response) của các tổ máy trên hệ thống.
1.3.2.4 Kết luận về hiện trạng tần số
Qua các phân tích ở trên, có thể thấy hiện trạng tần số hệ thống điện Việt Nam đang gặp phải hai vấn đề chính cần phải cải thiện như sau:
1. Khi xảy ra sự cố tổ máy, tần số bị sụt giảm và quá trình khôi phục tần số chưa đảm bảo được hoàn toàn theo các quy định hiện hành, chất lượng của các giai đoạn đáp ứng tần số chưa tốt. Cần thực hiện các giải pháp để khi có sự cố xảy ra, tần số hệ thống sụt giảm ở mức tối thiểu và nhanh chóng khôi phục về trạng thái bình thường, đáp ứng đúng các tiêu chuẩn quy định như Bảng 1.2.
2. Tần số hệ thống trong các chế độ thấp điểm hoặc trong thời điểm nền phụ tải giảm thấp ở trong năm/tuần thường ở ngưỡng cao hơn nhiều giá trị cho phép ở chế độ bình thường là 50,2 Hz.
49.000 49.100 49.200 49.300 49.400 49.500 49.600 49.700 49.800 49.900 50.000 50.100
5:46:26 5:46:38 5:46:50 5:47:02 5:47:14 5:47:26 5:47:38 5:47:50 5:48:02 5:48:14 5:48:26 5:48:38 5:48:50 5:49:02 5:49:14 5:49:26 5:49:38 5:49:50 5:50:02 5:50:14 5:50:26 5:50:38 5:50:50 5:51:02
19 Tần số hệ thống thể hiện mức độ cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải tiêu thụ. Khi tần số ra ngoài dải bình thường cho phép quanh giá trị định mức, hệ thống khi đó có sự mất cân bằng công suất nguồn-tải, tiềm ẩn nguy cơ mở rộng sự cố do các thiết bị điện (đặc biệt là các máy điện quay) chỉ được thiết kế để vận hành lâu dài ở tần số định mức. Ngoài ra, chế độ vận hành đạt được sự cân bằng vừa đủ giữa nguồn-tải hay tần số duy trì được quanh giá trị định mức còn là chế độ vận hành kinh tế nhất. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp để cải thiện chất lượng tần số hệ thống điện Việt Nam là tối quan trọng, nhằm đảm bảo hệ thống điện vận hành vừa ổn định, tin cậy và kinh tế.