Bài giảng: Điều khiển tần số trong hệ thống điện - TS. Nguyễn Đức Huy

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Nội dung
 Mục đích điều khiển tần số
 Điều khiển tần số với các loại máy phát điện
 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc
 Điều tần cấp I
 Sa thải phụ tải
 Điều tần cấp II – AGC
 Điều tần cấp III

1
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

1


Mục đích điều khiển tần số

2
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Mục đích điều khiển tần số
 Trong hệ thống điện sử dụng máy phát điện đồng bộ, khi công suất phát
điện cân bằng công suất tải, tần số của hệ thống là không đổi (tốc độ quay
các máy phát ổn định)

 Tần số cần được duy trì ổn định trong một giới hạn cho phép
 Tần số lưới điện Châu Âu
 Tần số lưới điện Ấn Độ
 Khi hệ thống điện vận hành ổn định, tần số đo được tại mọi điểm trong hệ
thống là bằng nhau

3
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

2


Mục đích điều khiển tần số
Dự án FNET: quan sát tần số trên toàn nước Mỹ:
/>
4
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Mục đích điều khiển tần số
Diễn biến tần số khi hòa hai hệ thống điện

5
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

3


Mục đích điều khiển tần số
Diễn biến tần số khi tách lưới

6
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Diễn biến tần số trong ngày (India)
/>50.15
50.10
50.05
50.00
49.95
49.90
49.85
0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

0:00

Chú ý các biến động tần số xảy ra tại thời điểm chuyển giữa các giờ

7
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

4


Khi tần số thay đổi
Các tuabin máy phát


Tần số sụt giảm làm tăng nguy cơ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng
(tuabin máy phát nhiệt điện)



Khả năng làm việc ở tần số ngoài định mức được nhà sản xuất cung
cấp với mỗi loại tuabin

8
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Khi tần số thay đổi
Các động cơ


Tần số sụt giảm làm giảm mô men điện của động cơ không đồng bộ.



Ảnh hưởng gián tiếp đến tự dùng của các nhà máy điện (hệ thống làm
mát, hệ thống bơm dầu áp lực, hệ thống nén khí)

Các máy biến áp

• Vận hành ở tần số thấp có thể dẫn đến hiện tượng quá kích thích (overexcitation)

9
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

5


Khi tần số thay đổi
Đáp ứng của phụ tải điện theo tần số

10
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Hiện tượng sụp đổ tần số

11
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

6


Điều khiển công suất/tốc độ máy phát đồng bộ
 Sự thay đổi tốc độ máy phát điện đồng bộ phụ thuộc vào cân bằng
mô men điện và mô men cơ trên trục rotor:

J

d
d
 Tm Te J0  Pm  Pe
dt
dt

 Với hệ thống điện sử dụng các máy phát đồng bộ, điều khiển tần số
hệ thống có quan hệ trực tiếp đến điều khiển tốc độ các máy phát
đồng bộ

12
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Điều khiển công suấtsuất- tổ máy nhiệt điện
• Chế độ boiler-follow: Van hơi phản ứng theo công suất/tần số. Lò hơi
điều khiển ổn định lại áp suất
• Chế độ turbine-follow: Lò hơi điều khiển công suất, các van hơi giữ áp
suất cố định

13
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

7


Mô hình mô phỏng tuabin hơi

14
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Điều khiển tần số - tổ máy thủy điện

15
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

8


Điều khiển tần số - tổ máy phát tuabin khí

 Công suất cấp cho tuabin phụ thuộc vào áp lực khí trong buồng đốt
 Khi tốc độ tuabin giảm, áp lực khí nén giảm  công suất máy phát
giảm

16
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Điều khiển tần số - tổ máy tuabin khí

17
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

9


Điều khiển tần số - máy phát điện gió

18
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Đáp ứng tần số của hệ thống điện

19
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

10


Đáp ứng tần số của hệ thống điện
Các giai đoạn của đáp ứng tần số


Đáp ứng do quán tính của các máy phát điện đồng bộ



Đáp ứng do hệ thống điều tần sơ cấp (điều tần cấp I)



Đáp ứng do hệ thống điều tần cấp II (AGC)



Điều tần cấp III

20
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Đáp ứng quán tính của hệ thống điện


Các máy phát điện đồng bộ tich trữ năng lượng dưới dạng động năng
của rotor và tuabin



Khi tần số hệ thống sụt giảm, tốc độ của các máy phát giảm  năng
lượng từ các máy phát được cung cấp cho hệ thống.



Đáp ứng quán tính góp phần làm ổn định tần số cho hệ thống



Khi kết nối nhiều tổ máy trong hệ thống, mức độ ổn định của hệ thống
do đáp ứng quán tính được cải thiện

21
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

11


Ví dụ về đáp ứng quán tính

Tăng 300MW tải
22
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Đáp ứng quán tính - Lưới điện 4 máy phát
50.05
50

Freq (Hz)

49.95
49.9
49.85
49.8
49.75

0

10

20

30

40

50
60
Time (sec)

70

80

90

100

50
49.98
49.96
49.94
49.92

Kết quả mô phỏng sự cố mất cân
bằng công suất, với các giá trị khác
nhau của quán tính máy phát

49.9
49.88
49.86
49.84

23
20

Tháng 12/2014

21

22

23

24

25

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

12


Mô hình điều khiển công suất sơ cấp

24
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Bộ điều tốc ly tâm

25

Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

13


Bộ điều tốc điện tử

26
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Bộ điều tốc

Tham số R (droop) của bộ điều tốc quy
định mức độ tham gia điều tần cấp I
của tổ máy
27
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

14


Bộ điều tốc
Xét riêng sơ đồ điều khiển của bộ điều tốc

Công suất phát thực tế
Giá trị đặt của công suất phát

28

Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Khi quá trình điều tốc kết thúc

P.R = -
P = - / R
Hay:
P = -f / R
•

R = 0.04  0.09

29
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

15


Điều tần cấp I
Các đại lượng được tính trong hệ đơn vị tương đối
Máy phát có công suất phát Pmax = 100MW

Công suất phát = 60MW.
R = 0.05
a) Khi tần số hệ thống sụt từ 50Hz  49.8Hz
P = - ( (49.8-50) / 50 ) / 0.05 = 0.08 = 8MW
Công suất phát của máy sẽ là 68MW
b) Khi tần số hệ thống sụt từ 50Hz  48.5Hz
P = - ( (48.5-50) / 50 ) / 0.05 = 0.6 = 60MW
Công suất phát của máy sẽ là 100MW (huy động hết dự trữ)

30
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

VD mô phỏng - Lưới điện 4 máy phát

Điều tốc, R = 0.05

900 MW

900 MW

900 MW

900 MW

Tăng tải
31
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

16


VD mô phỏng - Lưới điện 4 máy phát
Tần số lưới
50.02
Frequency (Hz)

50
49.98
49.96
49.94
49.92
49.9

0

10

20

30

40

50
60
Time (sec)

70

80

90

100

Công suất máy 1
Machine 1 power

730
720
710
700
690
680

0

10

20

30

40

50

60
Time (sec)

Tháng 12/2014

70

80

90

100

32

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

VD mô phỏng - Lưới điện 4 máy phát
Điện áp và công suất truyền tải
Voltage (per unit)

1

0.98

0.96

Power transfer (MW)

0.94

0

10

20

30

40

50
Time (sec)

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50
Time (sec)

60

70

80

90

100

520
500
480
460
440

33
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

17

VD mô phỏng - Lưới điện 4 máy phát
Đặc tính công suất - tần số của máy 1
50.02
Actual response
Desired response

Giai đoạn
quá độ

50

Freq (Hz)

49.98

Giai đoạn ổn
định, đặc tính
f-P bám sát
đặc tính điều
tần

49.96

49.94

49.92

49.9
685

690

695

700

705
710
Power (MW)

715

720

725

730

34
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Đáp ứng tần số của hệ thống
(Sau khi quá trình điều tần cấp I kết thúc)

Đáp ứng của một tổ máy, với i = R, f và P tính theo Hz và MW

Đáp ứng tổng hợp của hệ thống

35
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

18


Đáp ứng tần số của hệ thống
(Sau khi quá trình điều tần cấp I kết thúc)

Đáp ứng tổng hợp của hệ thống

KT

36
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Đáp ứng tần số của hệ thống
(Sau khi quá trình điều tần cấp I kết thúc)

Kết hợp với đáp ứng của phụ tải

Đáp ứng tổng hợp của hệ thống

Lưu ý: KT >> KL

37
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

19


Đáp ứng tần số với nhiều máy phát
Điều tốc, R = 0.05

Tăng tải
Điều tốc, R = 0.05
38
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Đáp ứng tần số với nhiều máy phát
Tần số lưới, chỉ máy 1 điều tần
Frequency (Hz)

50.02
50
49.98
49.96
49.94
49.92
49.9

0

10

20

30

40

50
Time (sec)

60

70

80

90

100

Tần số lưới, 2 máy điều tần
Frequency (Hz)

50.04
50.02
50
49.98

49.96
49.94
49.92

0

20

40

60

80

100

39

Time (sec)

Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

20


Đáp ứng tần số với nhiều máy phát
Điện áp và cs truyền tải, 2 máy

Điện áp và cs truyền tải, 1 máy
Voltage (per unit)

1

0.98
0.96

10

20

30

40

50
60
Time (sec)

70

80

90

Power transfer (MW)

500
480

460
440
0

10

20

30

40

50
60
Time (sec)

70

80

90

0.98
0.96
0.94
0

100

520

40
60
Time (sec)

80

100

20

40
60
Time (sec)

80

100

520
500
480
460
440
0

100

20

40
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Đáp ứng tần số với nhiều máy phát
50.01

Đáp ứng tần số, 1 máy

Đáp ứng tần số, 2 máy
Actual response
Desired response

50

50.02

49.99

Actual response
Desired response

Freq (Hz)

50

49.98

49.98

49.97
49.96

Freq (Hz)

Power transfer (MW)

0.94
0

49.95

49.96

49.94
49.94

49.93
690
49.92

50.01
49.9
685

690

695

700

705
710
Power (MW)

715

720

725

50

730

Đáp ứng f-P có gì thay đổi khi hai
máy cùng tham gia điều tần?

700

710
720
Power (MW)

730

740

Actual response
Desired response

49.99

Freq (Hz)

Voltage (per unit)

1

49.98
49.97
49.96
49.95
49.94

Tháng 12/2014

41

49.93
690
700Đức Huy
710
720Hệ thống
730
740
TS. Nguyễn
– Bộ môn
điện, ĐHBKHN
Power (MW)

21


Tăng độ nhạy của cả hai máy 1 và 4

Điều tốc, R = 0.005

Tăng 100MW tải
Điều tốc, R = 0.005
42
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Tăng độ nhạy của cả hai máy 1 và 4
50.04

Frequency (Hz)

Tần số HT

50.02
50
49.98

49.96

0

10

20

0

10

20

30

40

50
60
Time (sec)

70

80

90

100

P máy 1

Machine 1 power

740
730
720
710
700
690
680

30

40

50
Time (sec)

60

70

80

90

100

750

P máy 4

Machine 1 power

740
730
720
710
700

Tháng 12/2014

690

43
0

10

20

30 TS. Nguyễn
40
50 Huy60
70 Hệ thống
80 điện,
90ĐHBKHN
100
Đức
– Bộ môn
Time (sec)

22

Đặc tính điều chỉnh tần số cấp 1
• Chỉ sử dụng R = 0 đối với hệ thống vận hành cô lập
• Sử dụng R = 0,  0 với lưới điện nhiều máy phát sẽ có thể tạo ra
dao động giữa các bộ điều tốc, gây mất ổn định

44
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Vùng chết (dead band) của đặc tính điều tần

Máy có vùng chết nhỏ
điều tần khi f>50.01 và f<49.99
Tháng 12/2014

Máy có vùng chết lớn
điều tần khi f>50.2 và f<49.8

45

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

23


Điều tần cấp I – tổng kết
• Sau khi điều tần cấp I kết thúc, WECC đã huy động thêm bao nhiêu

công suất (P = ?)

• P bao gồm cả công suất huy động thêm từ điều tần cấp I và đáp
ứng của phụ tải

•f

46
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Điều tần cấp I
• P / f = Kf sau khi kết thúc điều tần cấp 1 được gọi là đáp ứng
tần số của hệ thống (“frequency response” (Mỹ), hoặc “powerfrequency characteristic” (châu Âu)).
• Có thể xác định Kf dựa trên thay đổi trào lưu công suất trên
đường dây liên lạc, khi sự cố xảy ra ở một khu vực lân cận.
• Đơn vị: MW / 0.1 Hz hoặc MW / Hz

47
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

24


Một vài ví dụ về Kf
•
•

•
•

Ấn Độ ( tổng cs đặt ~150GW): -1800MW / Hz
PJM RTO (tổng cs đặt ~180GW): -1579MW / 0.1 Hz
UCTE (tổng cs đặt ~660GW): -1800MW/ 0.1Hz
Nordic system: -800MW/0.1Hz

48
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

Dự phòng nóng (spinning reserve)
•

Máy phát cần vận hành ở mức công suất thấp hơn cực đại để có
thể tham gia điều tần

49
Tháng 12/2014

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN

25