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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG 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

MÃ SỐ: T2019-56TĐ

SKC 0 0 6 9 3 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019


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


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN
THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

STT

Họ và tên

Đơn vị công tác và

Nội dung nghiên cứu cụ

lĩnh vực chuyên môn

thể được giao
Nghiên cứu tổng quan và

1

Lê Trọng Nghĩa

Khoa Điện – Điện Tử

thử nghiệm kiểm tra trên
hệ thống điện chuẩn.

i

Chữ ký


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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

ii


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 tốn lượng cơng suất sa thải phụ tải tối thiểu có xét đến đặc tính điều khiển cơ
turbine và phụ tải ........................................................................................................... 26
3.3 Tính tốn 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 mơ 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

iii


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 khơng có bộ điều tốc .................................... 16
Hình 2.3 Đặc tính thay đổi cơng suất turbine theo sự thay đổi của tần số của tổ máy có bộ
điều tốc ............................................................................................................................... 17
Hình 2.4 Đặc tính thay đổi cơng suất theo sự thay đổi của tần số của tổ máy khơng có bộ
điều tốc ............................................................................................................................... 17
Hình 2.5 Ảnh hưởng các đường đặc tính trong q 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 mơ 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 cơng
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 vịng 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 dịng 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

iv

Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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

v


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

CÁC TỪ VIẾT TẮT
HTĐ
VSI
IEEE

Hệ Thống Điện
Voltage Sensitivity Index
Institute of Electrical and Electronics Engineers

vi


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Tp. HCM, ngày

20 tháng

12

năm 2019

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng 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 khơi phục tần số hệ thống điện
có xét đến độ nhạy điện áp giữa các bus.
3. Tính mới và sáng tạo:
Tính tốn lượng cơng 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, Dec2019.

vii


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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.
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

ThS. Trần Tùng Giang

viii


Báo cáo nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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.

ix


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngồi nước
Việc mất cân bằng cơng 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 sốt 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 tốn 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 cơng 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.

1

Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 cơng 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 khơi 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, mơ hình hóa và mơ 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.

2


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

- 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 ngồi 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.

3


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 khơng thể khơng 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
cơng 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 cơng suất bù này có thể đáp ứng
được nhu cầu tải thì hệ thống sẽ khơi phục lại trạng thái ổn định. Tuy nhiên, trong một số

trường hợp không đạt được mục đích trên, để khơi 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 cơng nghệ để xây dựng mơ 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

4


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 khơng 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 mơ hình sa thải nhằm đảm bảo khơi 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 ln là mối quan tâm chính từ hai phía nhà cung cấp và người sử dụng điện.
Các mơ 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 cịn lại được sa thải. Q 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

5


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 khơi 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
Chế độ vận
hành của
hệ thống
điện
Sự cố đơn lẻ

Dải tần số
được phép dao
động

49 Hz ÷ 51 Hz

Thời gian khơi phục, tính từ thời điểm xảy ra sự
cố (Áp dụng từ ngày 01 tháng 01 năm 2018)
Trạng thái chưa ổn định

Khôi phục về chế độ

(chế độ xác lập)

vận hành bình thường

02 phút để đưa tần số

05 phút để đưa tần số về

về phạm vi 49,5 Hz ÷ 50,5 phạm vi 49,8 Hz ÷ 50,2
Hz

Sự cố nhiều

10 giây để đưa tần số về

phần tử, sự

phạm vi 49 Hz ÷ 51 Hz

cố nghiêm
trọng hoặc
chế độ cực

47,5 Hz ÷ 52 Hz

Hz

10 phút để đưa tần số về

05 phút để đưa tần số về

phạm vi 49,8 Hz ÷ 50,2

phạm vi 49,5 Hz ÷ 50,5

Hz

Hz

kỳ khẩn cấp

6


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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
Dải tần số được phép (Hz)
(“f” là tần số hệ thống điện)
52 ≥ f ≥ 51,25

Số lần được phép theo chu kỳ thời gian
(tính từ thời điểm bắt đầu chu kỳ)
07 lần trong 01 năm

51,25 > f > 50,5

50 lần trong 01 năm

49,5 > f > 48,75

60 lần trong 01 năm

48,75 ≥ f > 48

12 lần trong 01 năm

48 ≥ f ≥ 47,5

01 lần trong 02 năm

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 tốn 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 cơng 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 tốn kiểm tra hoạt động của rơle 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.

7


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 cơng suất sa thải vẫn chưa đáp ứng vì chưa tính đến lượng
cơng 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 khơng 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 hỗn 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 khơng 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.

8


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 khơng 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
𝑟𝑒𝑞

chọn, 𝑓𝑚𝑖𝑛 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
cơng 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 khơng 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 khơng cân bằng trong vài giây sau đó. Hiện tượng mất điện đã diễn

9


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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 dịng cơng suất
trên đường dây liên kết. Cùng với việc phát triển của kỹ thuật máy tính và cơng nghệ thơng
tin, sử dụng máy tính để tính tốn phân bổ lại cơng 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 cơng suất (ELDEconomic 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 khơng 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 cịn 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 tồn, 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 thơng số biến thiên df/dt.

10


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

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
UFLS

Frequency

Time Delay 1

Amount of Load

Cumulative

Step

(hertz)

(seconds)

(% of

Amount

member system)

of Load (%)

A

59.7

0.28

9

9

B

59.4

0.28

7

16

C

59.1

0.28

7

23

D

58.8

0.28

6

29

E

58.5

0.28

5

34

F

58.2

0.28

7

41

Dựa vào bảng trên có thể thấy có 6 cấp sa thải phụ tải ứng với từng mức tần số khác
nhau. Tần số nếu giảm xuống 58.2Hz, thì có đến 41% phụ tải bị sa thải.
Ưu điểm:
˗

Ngun 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.
Nhược điểm:

˗

Bất kỳ sự quá tải nào đều có cùng chiến lược sa thải phụ tải, mức độ quá tải không
xác định số lượng và chất lượng sa thải phụ tải.

˗

Việc cắt tải khi tần số thấp phải phụ thuộc vào việc cài đặt, chọn chủng loại phù hợp
với mạng điện đó.

˗

Phụ thuộc vào người thiết kế HTĐ, vào sự hiểu biết của người đó. Vậy nên có khả
năng có lỗi.

˗

Khơng phù hợp về lâu dài, vì HTĐ có khả năng thay đổi lớn.

11

Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

Chương 2
TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG
ĐIỀU KHIỂN SA THẢI PHỤ TẢI
2.1 Tởng 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 cơng nghiệp
năng lượng trên tồn 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 thơng minh. Tổng quan về các kỹ thuật sa thải
phụ tải được trình bày ở Hình 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.

12


Nghiên cứu khoa học

ThS. Trần Tùng Giang

Các kỹ thuật sa
thải phụ tải

Các kỹ thuật sa thải
phụ tải truyền thống

UFLS sa
thải phụ
tải dưới
tần số

UVLS sa
thải phụ
tải dưới
điện áp

Các kỹ thuật sa thải
phụ tải thích nghi

Artificial
Neural
Network
(ANN)

Fuzzy
Logic
Control

Các kỹ thuật sa thải
phụ tải thơng minh

Adaptive
Neuro
Fuzzy
Infernce
System
(ANFIS)

Genetic
Algorithm

Particle
Swarm
Optimization

Hình 2.1: Tổng quan về các kỹ thuật sa thải phụ tải trong hệ thống điện.
Các kỹ thuật tính tốn sa thải phụ tải thơng 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
tốn thơng minh cho các ứng dụng sa thải phụ tải trong hệ thống điện.

13