Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải có xét đến độ nhạy điện áp giữa các BUS

- Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học, các điều độ viên trong hệ thống điện khi quan tâm đến vấn đề tối ưu hóa sa thải phụ tải khi có sự cố máy phát

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ NHẠY ĐIỆN ÁP

GIỮA CÁC BUS

SKC 0 0 6 9 3 6

MÃ SỐ: T2019-56TĐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ NHẠY ĐIỆN ÁP GIỮA CÁC BUS

Mã số: T2019-56TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS Trần Tùng Giang

TP HCM, 12/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ NHẠY ĐIỆN ÁP GIỮA CÁC BUS

Mã số: T2019-56TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS Trần Tùng Giang

Thành viên đề tài: ThS Lê Trọng Nghĩa

TP HCM, 12/2019

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụ

Nghiên cứu tổng quan và thử nghiệm kiểm tra trên

hệ thống điện chuẩn

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu 2

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3.2 Cách tiếp cận 2

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu: 2

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Nội dung nghiên cứu 3

PHẦN MỞ ĐẦU 3

PHẦN NỘI DUNG 3

Chương 1 4

TỔNG QUAN VỀ SA THẢI PHỤ TẢI 4

1.1 Tổng quan về sa thải phụ tải 4

1.2 Tổng quan về các hướng nghiên cứu liên quan 5

Chương 2 12

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG 12

ĐIỀU KHIỂN SA THẢI PHỤ TẢI 12

2.1 Tổng quan các phương pháp sa thải phụ tải 12

2.2 Điều khiển sơ cấp và thứ cấp tố máy phát điện [27] 15

2.2.1 Đặc tính điều khiển tần số của turbine máy phát 15

2.2.2 Điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp 18

2.3 Ổn định tần số bằng biện pháp sa thải tải [28] 19

Chương 3 21

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP TRONG ĐIỀU KHIỂN KHẨN CẤP SA THẢI PHỤ TẢI 21

3.1 Tổng quan đáp ứng tần số trong hệ thống điện 21

3.2 Tính toán lượng công suất sa thải phụ tải tối thiểu có xét đến đặc tính điều khiển cơ turbine và phụ tải 26

3.3 Tính toán chỉ số độ nhạy điện áp (VSI) 27

Chương 4 30

MÔ PHỎNG KIỂM TRA HIỆU QUẢ PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 30

4.1 Giới thiệu sơ đồ IEEE 37-Bus IEEE 30

4.2 Thử nghiệm phương pháp đề xuất trên mô hình IEEE 37-Bus 30

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37

5.1 Kết luận 37

5.2 Hướng phát triển đề tài 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Đặc tính điều chỉnh máy phát khi có bộ điều tốc 16

Hình 2.2 Đặc tính điều chỉnh máy phát khi không có bộ điều tốc 16

Hình 2.3 Đặc tính thay đổi công suất turbine theo sự thay đổi của tần số của tổ máy có bộ điều tốc 17

Hình 2.4 Đặc tính thay đổi công suất theo sự thay đổi của tần số của tổ máy không có bộ điều tốc 17

Hình 2.5 Ảnh hưởng các đường đặc tính trong quá trình điều khiển sơ cấp 18

Hình 2.6 Ảnh hưởng các đường đặc tính trong quá trình điều khiển thứ cấp 19

Hình 3.1 Máy phát cung cấp cho phụ tải độc lập 21

Hình 3.2 Sơ đồ khối hàm truyền mô tả mối quan hệ điều khiển valve máy phát và công suất cơ đầu ra thông qua bộ điều khiển công suất cơ 21

Hình 3.3 Sơ đồ hàm truyền thể hiện mối quan hệ giữa độ lệch công suất cơ, độ lệch công suất điện và sự thay đổi tốc độ 22

Hình 3.4 Sơ đồ khối hàm truyền mô tả mối quan hệ giữa độ lệch công suất cơ, tải và hệ số 22

Hình 3.5 Bộ điều tốc với vòng phản hồi độ dốc tốc độ [26] 23

Hình 3.6 Sơ đồ khối của bộ điều tốc với độ dốc 24

Hình 3.7 Đặc tính điều chỉnh tĩnh của bộ điều tốc hoạt động với độ dốc 24

Hình 3.8 Sơ đồ khối hàm truyền quan hệ thay đổi tải với tần số 25

Hình 3.9 Đáp ứng tần số tổng hợp của hệ thống điện [27] 26

Hình 3.10 Sơ đồ mạch dòng mắc song song 28

Hình 4.1 Sơ đồ đơn tuyến IEEE 37-Bus 30

Hình 4.2 Tần số của hệ thống khi PEAR138 # 1 bị ngắt kết nối 31

Hình 4.3 Chỉ số độ nhạy điện áp (VSI) và điện áp tại bus tải (pu) sau khi máy phát mất điện (PEAR138) 33

Hình 4.4 So sánh tần số giữa phương pháp đề xuất và phương pháp truyền thống 35

Hình 4.5 Điện áp tại tất cả các bus khi sa thải tải theo phương pháp đề xuất 35

Hình 4.6 Điện áp ở tất cả các bus khi sa thải tải theo phương pháp UFLS 36

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục hệ thống điện về chế độ

vận hành bình thường trong các chế độ vận hành khác của hệ thống điện quốc gia 6

Bảng 1.2: Dải tần số được phép và số lần được phép tần số vượt quá giới hạn trong trường hợp sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc chế độ cực kỳ khẩn cấp 7

Bảng 1.3: Mức phần trăm tải sa thải theo độ dốc tần số 11

Bảng 4.1: Các trường hợp mất máy phát 31

Bảng 4.3 Bảng chiến lược sa thải tải dựa vào UFLS [21] 34

CÁC TỪ VIẾT TẮT

VSI Voltage Sensitivity Index

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2019

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải có xét đến độ nhạy điện áp

giữa các bus

- Mã số: T2019-56TĐ

- Chủ nhiệm: ThS Trần Tùng Giang

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 5/2019-5/2020

2 Mục tiêu:

Nghiên cứu cải tiến phương pháp sa thải phụ tải để khôi phục tần số hệ thống điện

có xét đến độ nhạy điện áp giữa các bus

3 Tính mới và sáng tạo:

Tính toán lượng công suất sa thải phụ tải nhằm khôi phục tần số về giá trị cho phép

và đưa ra chiến lược sa thải tải phụ tải dựa trên độ nhạy điện áp giữa các bus

4 Kết quả nghiên cứu:

Báo cáo phân tích việc sa thải phụ tải dựa vào độ nhạy điện áp có xét điều khiển sơ

- thứ cấp

5 Thông tin chi tiết sản phẩm:

+ Báo cáo khoa học: 1 tài liệu báo cáo kết quả nghiên cứu

+ Bài báo khoa học: 1 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế (L T Nghia, T T Giang, Q

H Anh, P T T Binh, N T An, P H Hau, “A voltage sensitivity index application for power system load shedding considering the generator controls”, International Journal of Advanced Engineering, Management and Science, Vol-5, Issue-12, Dec-

2019

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Kết quả nghiên cứu được đăng ở các tạp chí chuyên ngành trong nước và quốc tế

- Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học, các

điều độ viên trong hệ thống điện khi quan tâm đến vấn đề tối ưu hóa sa thải phụ

tải khi có sự cố máy phát xảy ra trong hệ thống

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Study the load shedding method considering the voltage sensitivity between bus loads

Code number: T2019-56TĐ

Coordinator: M.SC Tran Tung Giang

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Techniology and Education

Duration: from 05/2019 to 05/2020

2 Objective(s):

Research to improve load shedding method to restore the frequency of electric

system considering the voltage sensitivity between buses

3 Creativeness and innovativeness:

Calculate the load shedding capacity to restore the frequency to the permissible value and proposed load shedding strategy based on voltage sensitivity between buses

4 Research results:

- Scientific output: The report analyzes load shedding based on voltage sensitivity index considering primary - secondary generators control

5 Products:

- 1 document, research results report

- 1 paper published on International Journal

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- The research results are published in specialized journals in the country and international

- The research results can serve as a reference for graduate students and operators

in the electrical system when considering the issue of optimizing load sacking when a generator incident occurs in the power system

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước

Việc mất cân bằng công suất giữa tổ máy phát và phụ tải sẽ làm giảm tần số trong

hệ thống điện Hệ thống giám sát và điều khiển sẽ ngay lập tức thực hiện các giải pháp điều khiển để khôi phục tần số trở về giá trị cho phép và cải thiện độ ổn định của hệ thống điện [1] Trong [2] trình bày các nhà máy điện thực hiện việc khiển sơ cấp và thứ cấp được đặt bằng thiết bị điều khiển tự động hoặc người vận hành hệ thống điện Sau khi thực hiện tất

cả các giải pháp kiểm soát có thể mà tần số của hệ thống chưa phục hồi về giá trị cho phép, phương pháp hiệu quả nhất là sa thải phụ tải [3] Phương pháp sử dụng relay sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS) là phương pháp sa thải tải truyền thống được sử dụng khá phổ biến trong hệ thống điện hiện tại Trong [4], relay được thiết lập để hoạt động bất cứ khi nào tần

số giảm xuống mức quy định và một lượng công suất tải cố định được sa thải để khôi phục tần số Sử dụng relay sa thải tải tần số để ngắt kết nối bus tải sẽ làm cho việc sa thải phụ tải không đủ hoặc quá mức và mất nhiều thời gian để khôi phục tần số trở lại ổn định Kết quả này sẽ gây thiệt hại cho các nhà cung cấp và khách hàng sử dụng điện của hệ thống Các tác giả trong [5], [6] đã chỉ ra các phương pháp để ước tính mức sa thải phụ tải dựa trên việc giảm tần số hoặc tốc độ thay đổi tần số (ROCOF) Sự kết hợp của các phương pháp giảm tải thông minh cũng đã được nghiên cứu và phát triển như mạng neural nhân tạo (ANN) [7], thuật toán logic mờ [8], thuật toán di truyền (GA) [9] hoặc thuật toán tối

ưu hóa bầy đàn (PSO) Những phương pháp này giúp làm giảm thiểu chi phí thiệt hại gây

ra khi vận hành trạng thái xác lập của hệ thống điện [10]

Một chương trình sa thải tải tốt phải sa thải với một lượng tải tối thiểu và càng nhanh càng tốt, và phải đáp ứng các điều kiện tần số cho phép của hệ thống Mặt khác, trong các nhiễu loạn lớn của hệ thống điện, sự suy giảm tần số thường liên quan đến sự suy giảm điện áp Sự suy giảm điện áp tại các bus tải làm giảm tải của hệ thống, do đó việc suy giảm tần số bị chậm lại và việc giảm tải thực tế dựa trên UFLS giảm xuống tương ứng với mức yêu cầu [11]-[13] Trong các điều kiện thực tế, lượng công suất sa thải phụ tải có thể nhiều hơn hoặc ít hơn lượng công suất mà hệ thống cần để duy trì tần số, điều này có thể dẫn đến thiệt hại chi phí cũng như ảnh hưởng đến các đối tượng mà hệ thống phục vụ

Đề tài trình bày phương pháp để tối thiểu lượng công suất tải cần sa thải Các chiến lược sa thải tải dựa trên chỉ số độ nhạy điện áp (VSI), để tìm ra mức độ ưu tiên và phân phối lượng công suất sa thải phụ tải cho mỗi bus tải Đối với các bus tải có chỉ số độ nhạy điện áp (VSI) càng cao, lượng công suất sa thải tại bus đó sẽ giảm và ngược lại

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Các sự cố về nhiễu loạn của hệ thống điện thường là do sự cố mất điện của các máy phát điện, sự cố ngắn mạch đường dây, thanh góp hoặc do tải thay đổi bất ngờ Mức độ của sự mất ổn định thì tùy thuộc vào thời gian và mức độ của các sự nhiễu loạn Có nhiều biện pháp để duy trì ổn định tần số hệ thống điện, trong đó giải pháp sa thải một phần phụ tải cũng là vấn đề luôn được các nhà nghiên cứu và vận hành hệ thống điện quan tâm Trong việc sa thải phụ tải, điều quan trọng là việc khôi phục tần số cần nhanh chóng đề ra chiến lược sa thải phụ tải hợp lý, giúp tần số phục hồi nhanh chóng và giá trị tần số phục hồi chấp nhận được Đây là bài toán phức tạp, cần có các nghiên cứu chuyên sâu trong việc phối hợp các phương pháp và các giải thuật để hạn chế việc sa thải phụ tải ở mức thấp nhất

là yêu cầu bức thiết hiện nay

1.3 Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải để khôi phục tần số cùa hệ thống điện có

xét đến độ nhạy điện áp giữa các bus

1.3.2 Cách tiếp cận

Nghiên cứu tài liệu về các phương pháp sa thải phụ tải thực tế hiện đang áp dụng tại các công ty điện lực, tìm hiểu các giải thuật của các bài báo và đề xuất phương pháp sa thải

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu, tổng hợp, phân tích, mô hình hóa và mô phỏng

- Ứng dụng phần mềm Powerworld, Matlab để mô phỏng kiểm nghiệm kết quả đề xuất

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Các quá trình quá độ, ổn định hệ thống điện và sa thải phụ tải

- Các thuật toán sa thải phụ tải và giải pháp khôi phục tần số hệ thống điện

- Các phương pháp sa thải phụ tải trong hệ thống điện

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp sa thải phụ tải

- Nghiên cứu tìm ý nghĩa của việc sa thải phụ tải dựa trên độ nhạy điện áp giữa các bus

- Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải dựa trên độ nhạy điện áp giữa các bus

- Khảo sát, thử nghiệm nhằm kiểm chứng hiệu quả phương pháp đề xuất

1.5 Nội dung nghiên cứu

PHẦN MỞ ĐẦU

Tổng quan về hướng nghiên cứu: tóm tắt các kết quả nghiên cứu ở ngoài nước, tính cấp thiết; mục tiêu; cách tiếp cận; phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu Đặt vấn đề và hướng giải quyết vấn đề, nhằm khôi phục tần số

hệ thống điện

PHẦN NỘI DUNG

Chương 1: Tổng quan về sa thải phụ tải

Chương 2: Tìm hiểu các phương pháp áp dụng trong điều khiển sa thải phụ tải

Chương 3: Phương pháp sa thải phụ tải dựa trên độ nhạy điện áp

Chương 4: Mô phỏng kiểm tra hiệu quả của phương pháp đề xuất

Chương 5: Trình bày các kết quả đạt được trong đề tài, và hướng nghiên cứu phát triển của đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SA THẢI PHỤ TẢI

1.1 Tổng quan về sa thải phụ tải

Vấn đề ổn định tần số hệ thống là yêu cầu bức thiết với mọi thành viên vận hành, điều độ và quản lý hệ thống điện Có nhiều biện pháp để duy trì ổn định hệ thống điện như: xác định thời gian cắt sự cố hợp lý, sử dụng thiết bị FACT, bộ PSS… Tuy nhiên, khi xuất hiện các sự cố nghiêm trọng như mất máy phát công suất lớn, sự cố ngắn mạch đường dây, thanh cái… thì những phương pháp kể trên khó có thể có khả năng để duy trì hay tái lập

ổn định hệ thống điện

Việc duy trì hoạt động của hệ thống điện không thể không xét đến tần số của máy phát và điện áp các nút khi được kiểm soát trong một giới hạn nghiêm ngặt Trong quá trình hoạt động bình thường, các yếu tố này đạt được bằng cách điều khiển tự động dưới

sự giám sát của các nhân viên điều độ Tuy nhiên, tần số hệ thống chịu ảnh hưởng trực tiếp giữa công suất phát và nhu cầu phụ tải, do đó khi có sự cố mất một máy phát điện, lúc này công suất cung cấp không đủ đáp ứng cho nhu cầu phụ tải, hậu quả là tần số hệ thống bắt đầu giảm Lúc này các máy phát còn lại trong hệ thống sẽ tăng công suất ngõ ra để bù cho lượng công suất của máy phát sự cố, lúc này nếu lượng công suất bù này có thể đáp ứng được nhu cầu tải thì hệ thống sẽ khôi phục lại trạng thái ổn định Tuy nhiên, trong một số trường hợp không đạt được mục đích trên, để khôi phục tần số trong giới hạn định mức thì một chương trình sa thải tải cần được áp dụng cho hệ thống

Giải pháp sa thải phụ tải là một trong những giải pháp mạnh và hiệu quả để duy trì

ổn định hệ thống điện trong các tình huống sự cố Vấn đề đặt ra là phải sa thải nhanh, mức

sa thải công suất hợp lý để duy trì ổn định, phục hồi các giá trị thông số hệ thống về phạm

vi cho phép Đây là vấn đề phức tạp, cần có các nghiên cứu chuyên sâu trong việc phối hợp các phương pháp, giải thuật công nghệ để xây dựng mô hình đánh giá nhanh tình huống sự

cố, ra quyết định kịp thời, hạn chế sa thải phụ tải ở mức thấp nhất là yêu cầu bức thiết hiện nay

Bên cạnh đó, các sự cố trong hệ thống điện thường là các sự cố thoáng qua, tuy nhiên, có những sự cố lớn ví dụ như mất một máy phát điện, hoặc có sự tăng tải đột ngột

trong hệ thống điện Các sự cố này gây ra các nhiễu loạn trong hệ thống, các nhiễu loạn này thay đổi về cường độ của nó, điều không mong muốn có thể xảy ra trong hệ thống là các nhiễu loạn này gây suy giảm nghiêm trọng tần số Điều này dẫn đến cần thiết nghiên cứu hệ thống điện và chương trình để theo dõi và ngăn chặn tần số trở nên mất ổn định

Đề tài đề xuất mô hình sa thải nhằm đảm bảo khôi phục tần số hệ thống điện khi có

sự cố như đột ngột mất máy phát hoặc tăng tải trên cơ sở huy động lượng công suất dự phòng của các máy phát trong hệ thống để đạt được lượng tải sa thải là tối ưu nhất Ngoài

ra, việc sa thải phụ tải có xét đến độ nhay điện áp giúp nâng cao chất lượng điện áp tại các bus

1.2 Tổng quan về các hướng nghiên cứu liên quan

Việc tìm lượng tải sa thải tối ưu là quan tâm hàng đầu đối với các giải pháp về sa thải phụ tải, nó luôn là mối quan tâm chính từ hai phía nhà cung cấp và người sử dụng điện Các mô hình sa thải phụ tải trước đây chưa đề cập đến lượng công suất điều khiển sơ cấp

và điều khiển thứ cấp trong của mỗi máy phát, chính vì vậy gần đây có vài đề tài nghiên cứu sa thải có tính đến lượng công suất này của các máy phát đã được phát triển

Đa phần các phương pháp sa thải phụ tải dựa trên sự suy giảm tần số trên hệ thống điện Sử dụng một yếu tố về tần số để sa thải thì kết quả trong một số trường hợp về độ tin cậy thường kém chính xác 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 [14] Kết quả là chương trình sa thải phụ tải được nâng cấp hơn, tăng độ chính xác Ở Việt Nam phần lớn dùng phương pháp sa thải phụ tải bằng relay sa thải phụ tải dưới tần số

81

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 có một sự giảm tiếp trong tần số và nó đạt đến điểm nhận thứ hai, tỷ lệ phần của tải còn lại được sa thải Quá trình này diễn ra tiếp tục cho đến khi tần số tăng trên giới hạn dưới của nó Tổng nguồn phát điện, tổng phụ tải trong hệ thống, tốc độ suy giảm tần số và tỉ lệ các thay đổi điện áp trong hệ thống điện được xem xét

Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia Việt Nam là 50 Hz Trong chế độ vận hành bình thường, tần số hệ thống điện được phép dao động trong phạm vi ± 0,2 Hz so với

tần số danh định Ở các chế độ vận hành khác của hệ thống điện, dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục về chế độ vận hành bình thường được quy định tại Bảng 1.1 như sau [15]:

Bảng 1.1: Dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục hệ thống điện về chế độ vận hành bình thường trong các chế độ vận hành khác của hệ thống điện quốc gia

Thời gian khôi phục, tính từ thời điểm xảy ra sự

cố (Áp dụng từ ngày 01 tháng 01 năm 2018) Trạng thái chưa ổn định

(chế độ xác lập)

Khôi phục về chế độ vận hành bình thường

10 phút để đưa tần số về phạm vi 49,8 Hz ÷ 50,2

Hz

05 phút để đưa tần số về phạm vi 49,5 Hz ÷ 50,5

Hz

Bảng 1.2: Dải tần số được phép và số lần được phép tần số vượt quá giới hạn trong trường hợp sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc chế độ cực kỳ khẩn cấp

Trong đó, một lần tần số hệ thống điện vượt quá giới hạn được phép là một lần tần

số hệ thống điện vượt quá giới hạn được phép trong khoảng thời gian từ 05 giây (s) trở lên

Tình huống mất điện đường dây 500kV là nguyên nhân thường gặp nhất mà có thể gây sụt tần số nghiêm trọng cho hệ thống điện miền Theo các tính toán của Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia để đảm bảo yêu cầu về ổn định động lượng công suất truyền trên đường dây 500kV không được vượt quá 700MW

Để đảm bảo phục hồi tần số với tỷ lệ mất công suất như vậy thì lượng phụ tải sa thải phải ở mức 50-65% Giới hạn phụ tải tối đa có thể sa thải áp dụng cho HTĐ Việt Nam là 65% Xác định mức cắt tải cho từng cấp tần số để tiết kiệm relay tần số, độ lệch tần số giữa các cấp được chọn là 0.2Hz trong dải tần số từ 49.0 - 47.6Hz Thời gian tác động của các cấp tần số này là 0s Với kết lưới và chế độ khai thác các nguồn điện hiện tại thì trong hầu hết các tình huống sự cố tỷ lệ mất công suất không vượt quá 20-30% Do vậy để hạn chế việc cắt dư phụ tải trong các tình huống này, các cấp tần số từ 49.0 - 48.0 Hz được chỉnh định lượng cắt tải là 5% Các cấp tần số 47.8Hz và 47.6Hz được chỉnh định lượng cắt tải là 10% và 15% Lượng phụ tải sa thải ở các cấp hỗ trợ phục hồi tần số phải là 10% trở lên Sử dụng tính năng cắt tải theo độ dốc Kết quả tính toán kiểm tra hoạt động của rơ-

le tần số theo chế độ cắt tải, trong các tình huống sụt tần số thường xảy ra đối với hệ thống điện liên kết hay hệ thống điện miền đã cho thấy khả năng phục hồi tần số tránh rã lưới là hoàn toàn khả thi

Tuy nhiên tại một số khu vực lưới điện chỉ liên kết với hệ thống qua một đường dây truyền tải (chẳng hạn khu vực miền Tây Nam bộ) Sự cố mất đường dây này khi lưới điện khu vực đang nhận từ hệ thống một lượng công suất cao (trên 50% phụ tải khu vực) sẽ gây

ra sụt giảm tần số nghiêm trọng mà tác động của các cấp tần số nêu trên không đủ để phục hồi Do vậy để tránh khả năng tách lưới giữ tự dùng của các tổ máy trong khu vực khi xảy

ra tình huống sự cố như trên cần phải áp dụng cắt tải theo độ dốc tần số [16]

Có thể thấy hệ thống ở trên sử dụng các cách như relay hay các giải thuật sử dụng

ở điều kiện ổn định thì lượng công suất sa thải vẫn chưa đáp ứng vì chưa tính đến lượng công suất dự phòng được huy động từ các máy phát và có thể gây sa thải hơn mức cần thiết làm cho tần số vượt giới hạn cho phép

Việc thiết kế chương trình sa thải phụ tải là một thử thách thật sự, nó là một quá trình dài hạn và yêu cầu một lượng lớn dữ liệu, nghiên cứu sâu và phải có kiến thức về các tác nhân gây ra nhiễu loạn Các chương trình sa thải phụ tải truyền thống không ngăn chặn

sa thải quá mức do chuỗi hoạt động điều khiển và bảo vệ phải được thực hiện từng bước

và thời gian trì hoãn vốn có

Các chương trình sa thải phụ tải được phát triển và nghiên cứu gần đây được áp dụng rộng rãi trong vận hành thực tiễn Tuy nhiên, các phương pháp này thường gây ra sa thải tải quá mức hoặc các lỗi làm cho tần số vượt giới hạn cho phép Các chương trình sa thải tải truyền thống là quá trình sa thải từng bước dựa trên các bảng sa thải tải được xác định từ trước dựa trên các quy luật chung và kinh nghiệm trong quá khứ Các bảng này chỉ

ra lượng phụ tải sa thải từng bước phụ thuộc vào sự thay đổi tần số

Các chương trình sa thải tải gần đây dựa trên điều khiển thông minh thời gian thực

và mạng neural nhằm đạt được mục tiêu điều khiển, nhưng không cực tiểu hóa được lượng tải sa thải do phát sinh chậm trễ trong quá trình đưa ra các quyết định điều khiển

Bài báo “Minimal load shedding using the swing equation” [17] trình bày tần số

của hệ thống điện được xác định bởi tốc độ quay của các máy phát đồng bộ của hệ thống điện Mọi sự chênh lệch nào của tốc độ quay của máy phát từ giá trị tốc độ quay định mức của nó thì gây ra một sự mất ổn định giữa moment cơ 𝑇𝑚𝑒𝑐ℎ,𝑖 và moment điện 𝑇𝑒𝑙,𝑖 trên trục của máy phát [18] Nếu 𝑇𝑚𝑒𝑐ℎ,𝑖 lớn hơn 𝑇𝑒𝑙,𝑖, rotor của máy phát tăng tốc và nếu 𝑇𝑚𝑒𝑐ℎ,𝑖 thì nhỏ hơn 𝑇𝑒𝑙,𝑖, rotor của máy phát giảm tốc

Mỗi sự mất ổn định nào giữa công suất phát ra và năng lượng điện tiêu thụ trong hệ thống điện thì được phản ảnh trong sự mất ổn định moment của máy phát Trong trường hợp các máy phát bắt đầu giảm tốc, bộ điều khiển sơ cấp tăng 𝑇𝑚𝑒𝑐ℎ,𝑖 Tuy nhiên, nếu tần

số sụt giảm một cách nhanh chóng, điều này có thể không có đủ khả năng giữ tần số hệ thống trong các giới hạn cho phép, bởi vì tốc độ của sự kích hoạt của bộ điều khiển tần số thứ cấp bị giới hạn Do đó, sự sụt giảm 𝑇𝑚𝑒𝑐ℎ,𝑖 thì được yêu cầu bởi sự sa thải phụ tải trong

hệ thống điện nhằm đưa hệ thống điện về trạng thái ổn định

Dựa trên phương trình chuyển động quay rotor và đưa ra giới hạn độ dốc phát công suất và công suất định mức của mỗi đơn vị máy phát tìm được cực tiểu lượng phụ tải sa thải cái mà đảm bảo tần số luôn luôn lớn hơn hoặc bằng mức tần số tối thiểu vận hành được chọn, 𝑓𝑚𝑖𝑛𝑟𝑒𝑞 là tần số duy trì sự ổn định tần số của hệ thống Chương trình được đề xuất thì dựa trên sự phụ thuộc của tần số điện trên công suất tác dụng như được thể hiện theo phương trình quay rotor của hệ thống điện

Theo tài liệu sách “Power System Analysis & Design, J Duncan Glover, Cengage Learning 2015” [19] đã khảo sát việc tự động điều khiển bộ điều tốc tuốc bin và bộ kích từ trong hệ thống điện thấy rằng sự cố mất điện trên hệ thống có khả năng xảy ra, cần thiết

phải xem xét các biện pháp nhằm giảm thiểu mức độ, cường độ và thời gian của chúng Ngay khi có một sự cố lớn xảy ta, tần số của hệ thống điện tăng lên và tự động xuất hiện

sa thải phụ tải, sụp đổ phụ tải, phân rã hệ thống hay các cơ chế cách ly khác Tỷ lệ thành công của cơ chế phục hồi tự động chỉ ở khoảng 50%

Thách thức đặt ra là phải phối hợp các cơ chế điều khiển và bảo vệ với vận hành của các nhà máy điện và hệ thống điện Trong quá trình phục hồi tiếp theo, các nhân viên vận hành nhà máy cần phối hợp với các nhân viên hệ thống, cố gằng duy trì một cách thủ công việc cân bằng giữa tải và máy phát Thời gian của các quy trình bằng tay này diễn ra lâu hơn hẳn so với việc dùng các thiết bị tự động Đặc biệt là trong việc cấu hình lại hệ thống, sẽ rất nguy hiểm nếu vận hành các nhà máy điện và hệ thống điện mà không có sự phối hợp cần thiết sẽ gây nên những thiệt hại còn lớn hơn nữa

Theo các ghi nhận về những sự cố lớn chỉ ra rằng những sự có ban đầu đã được khắc phục trong những mili giây(ms) đầu tiên, và các hệ thống đã được phân rã thành những hệ thống con có phát tải không cân bằng trong vài giây sau đó Hiện tượng mất điện đã diễn

ra vài phút sau phân rã và hệ thống điện đã phục hồi sau vài giờ từ khi mất điện Hầu hết

sự cố mất điện này đã bị kéo dài thời gian Ví dụ, trong một báo cáo gồm 24 sự cố mất điện gần đây, 7 sự cố đã kéo dài trên 6 giờ Theo báo cáo về mất điện của Mỹ-Canada đề ngày 14/08/2003 dẫn ra 7 sự cố mất điện gây thiệt hại lớn nhất, kéo dài từ 10-50 giờ Những sự

cố này rõ ràng đã chỉ ra rằng cần đổi mới các phương pháp phục hồi hệ thống và các kế hoạch triển khai

Theo “báo cáo của trung tâm điều độ Hệ Thống Điện quốc gia trong khóa đào tạo nhân viên vận hành 2009” [20] có thể thấy trong HTĐ hiện đại có thể chia ra làm 3 cấp

điều chỉnh tần số khác nhau, trong đó cấp đầu tiên và nhanh nhất được thực hiện ngay tại từng tổ máy mà chủ yếu dựa trên đặc tính của các bộ điều tốc

Cấp thứ hai là tự động điều chỉnh máy phát nhằm phân bổ lại công suất của các máy phát đáp ứng yêu cầu về điều khiển theo độ lệch tần số hoặc theo độ lệch công suất đường dây liên kết

Cấp thứ ba là tự động điều chỉnh máy phát có xét đến tính kinh tế và dòng công suất trên đường dây liên kết Cùng với việc phát triển của kỹ thuật máy tính và công nghệ thông tin, sử dụng máy tính để tính toán phân bổ lại công suất phát của các tổ máy sao cho chi phí sản xuất là nhỏ nhất, trong khi đó có xét đến cả ảnh hưởng của tổn thất một cách gần đúng ngoài ra còn xét đến ràng buộc của lưới qua module tính tối ưu dòng công suất (ELD-Economic Load Dispatch)

Sa thải phụ tải bằng relay tần số thấp là phương pháp thường được sử dụng nhất, hiện vẫn còn đang được sử dụng ở rất nhiều nơi trên thế giới bao gồm cả Việt Nam Dễ dàng nhận ra khi tần số lưới điện xuống thấp hơn ngưỡng cho phép, thì relay sẽ hoạt động cắt đi từng mức phụ tải, ngăn cản sự sụt giảm tần số hệ thống

Nếu không có điều khiển ngắt này, hậu quả lớn nhất có thể xảy ra là rã lưới, tức là mất điện diện rộng Tần số thể hiện cho sự biến động chung nhất của lưới liên kết có cùng giá trị Mặt khác, nó còn là biểu thị cho sự cân bằng giữa tải tiêu thụ và nguồn cung cấp, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, đặc biệt là tải công nghiệp

Vậy nên, tần số được xem xét là thông số cài đặt chính cho sự an toàn, ổn định và chất lượng của hệ thống Có khá nhiều chủng loại relay sa thải phụ tải dưới tần số được phát triển, có thể kể đến các loại có sử dụng thông số biến thiên df/dt

Ví dụ về “FRCC Automatic Underfrequency Load Shedding Program” [21], có

chương trình sa thải tải dưới tần số

Bảng 1.3: Mức phần trăm tải sa thải theo độ dốc tần số

Amount of Load (% of member system)

Cumulative Amount

˗ Nguyên lý làm việc đơn giản nên được ứng dụng rất rộng rãi

˗ Việc cắt tải gần như diễn ra tức thời khi tần số thấp

˗ Phát triển sa thải phụ tải dựa vào df/dt, cho phép ứng dụng rộng hơn

Chương 2 TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG

ĐIỀU KHIỂN SA THẢI PHỤ TẢI

2.1 Tổng quan các phương pháp sa thải phụ tải

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều khiển sa thải phụ tải và phục hồi hệ thống

đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp năng lượng trên toàn thế giới Các kỹ thuật sa thải phụ tải về cơ bản được chia thành 3 mảng nghiên cứu chính: các kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống, các kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi, các kỹ thuật sa thải phụ tải thông minh Tổng quan về các kỹ thuật sa thải phụ tải được trình bày ởHình 2.1

Các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống chủ yếu sử dụng các relay sa thải phụ tải dưới tần số hoặc dưới điện áp dựa trên ngưỡng tần số hoặc điện áp đã được cài đặt trước Tương ứng với mỗi ngưỡng cài đặt, một lượng phần trăm công suất tải sẽ được sa thải phụ tải Trong thực tế vận hành hiện nay, điều này sẽ được thực hiện tại các phát tuyến của trạm biến áp Mỗi phát tuyến sẽ được cài đặt một ngưỡng tần số để sa thải phụ tải

Phương pháp sa thải phụ tải thích nghi chủ yếu dựa trên độ suy giảm tần số để thực hiện sa thải Phương pháp này áp dụng khi hệ thống chỉ có đường dây riêng lẻ, ít đường dây liên kết sẽ gây ra tốc độ suy giảm tần số nhanh khi đường dây bị sự cố

Hình 2.1: Tổng quan về các kỹ thuật sa thải phụ tải trong hệ thống điện

Các kỹ thuật tính toán sa thải phụ tải thông minh có khả năng cung cấp nhanh chóng

và tối ưu sa thải phụ tải trong suốt thời gian xảy ra sự cố để ngăn ngừa rã lưới Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất định trong việc thực hiện chúng trong các ứng dụng thời gian thực Bảng 2.1 tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật tính toán thông minh cho các ứng dụng sa thải phụ tải trong hệ thống điện

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 thông minh

Artificial Neural Network (ANN)

Adaptive Neuro Fuzzy Infernce System (ANFIS)

Genetic Algorithm

Fuzzy Logic Control

Particle Swarm Optimization

Bảng 2.1: Ưu và nhược điểm của các kỹ thuật tính toán sa thải phụ tải thông minh

STT Kỹ thuật Ưu điểm Hạn chế

2 Điều khiển Fuzzy

Logic

(FLC)

FLC có thể được sử dụng để sa thải phụ tải trên một hệ thống điện có bất kỳ kích thước [23]

Các thông số hàm thành viên của FLC yêu cầu độ ưu tiên kiến thức hệ thống Nếu không, nó có thể cung cấp sai việc sa thải phụ tải tối ưu

ANFIS có thể làm việc với các

GA mất một thời gian dài để xác định lượng tải sa thải Điều này làm hạn chế việc sử dụng chúng cho các ứng dụng trực tuyến thực tế[7]

5 Particle swarm

Optimization (PSO)

Tính toán PSO thì đơn giản và

có khả năng để tìm các giá trị tối

ưu

PSO là dễ dàng bị gián đoạn bởi tối ưu hóa thành phần

Sa thải phụ tải trong một hệ thống điện là một quá trình rất phức tạp và nhanh Các sự

cố trong quá trình vận hành là không thể đoán trước và thời gian cần thiết để thực hiện sa thải phụ tải cũng rất ngắn Và nếu được thực hiện sa thải nhanh chóng, nó sẽ ngăn cản hệ thống đi đến việc mất điện hoàn toàn Ngày nay kỹ thuật UFLS thông thường thì không thích hợp cho các hệ thống điện lớn và phức tạp Các sự cố rã lưới gần đây đã xảy ra trên thế giới làm cho độ tin cậy của các kỹ thuật thông thường UFLS, UVLS không còn tin cậy cao như trước nữa

Các phương pháp thông thường, thậm chí một số phương pháp thông minh chẳng hạn như Fuzzy logic, di truyền GA, PSO, chủ yếu dựa trên sa thải phụ tải dưới điện áp ở điều kiện trạng thái vận hành ổn định của hệ thống Do đó, những phương pháp này không đủ

nhanh trong việc sa thải phụ tải tức thời Hệ thống sa thải phụ tải thực tế diễn ra trong thời gian thực, và ở phần này, đáp ứng nhanh chóng của mạng neural có thể cung cấp khả năng tối ưu và đáp ứng việc sa thải phụ tải trong điều kiện tức thời Phương pháp này sa thải phụ tải thích nghi sử dụng mạng neural đã được phát triển ở [24-26], trong đó tốc độ phản ứng của thuật toán ANN so với các phương pháp khác nhanh hơn ít nhất là 100 lần

Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây liên quan đến ANN, đầu ra là tổng lượng công suất tác dụng cho sa thải phụ tải Đầu ra này không phải là tín hiệu thực tế, vì nó không xác định được số lượng tải mà phải là sa thải trong từng bước Ngoài ra, khi tải thường xuyên thay đổi trong hệ thống điện, các thuật toán sa thải phụ tải nên được xem xét trong điều kiện mới hơn

Kỹ thuật tính toán sa thải phụ tải thông minh bao gồm: ANN, logic mờ, neurofuzzy ANFIS, thuật toán di truyền (GA), tối ưu hóa phần tử bầy đàn (PSO), vi khuẩn tìm kiếm thức ăn theo định hướng thuật toán PSO,… có khả năng sử dụng hiệu quả với các hệ thống điện hiện đại, có thể làm giảm khả năng mất điện, nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện

2.2 Điều khiển sơ cấp và thứ cấp tố máy phát điện [27]

2.2.1 Đặc tính điều khiển tần số của turbine máy phát

Đặc tính thay đổi công suất turbine theo sự thay đổi của tần số được biểu diễn bởi đường (1), chỉ được áp dụng khi tổ máy có bộ điều tốc Đặc tính điều chỉnh máy phát khi không có bộ điều tốc turbine được biểu diễn bởi đường đặc tính (2) Trong đó, đường đặc tính (1) cho thấy tác động của bộ điều tốc thay đổi công suất turbine theo sự thay đổi của tần số Trong chế độ vận hành ổn định, điểm giao nhau của đặc tính máy phát (1), (2) với đặc tính tần số của phụ tải Pt xác định xác định tần số làm việc của hệ thống F0, giá trị của

F0 bằng 50Hz hoặc 60Hz tùy vào quy định tần số chuẩn của hệ thống, được trình bày ở như Hình 2.2 và Hình 2.3