Sáng kiến tính toán quán tính hệ thống điện.

Ngày cập nhật: 20/05/2021

QUÁN TÍNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Quán tính hệ thống điện (HTĐ) được định nghĩa là khả năng của một hệ thống điện chống lại sự thay đổi tần số hệ thống nhờ sự phản kháng được cung cấp bởi động năng của các khối quay trong mỗi máy phát điện – tua-bin đồng bộ. Khi có các nhiễu động thay đổi cân bằng nguồn, tải trên hệ thống, đặc biệt là các nhiễu động lớn như mất nguồn, tải, đáp ứng đầu tiên của hệ thống khiến tần số không bị thay đổi quá nhanh chính là từ quán tính HTĐ. Quán tính càng lớn đồng nghĩa với việc tốc độ thay đổi của tần số giảm đi, từ đó có thêm thời gian để các hệ thống như điều tần sơ cấp làm việc, tránh tần số đi vào các ngưỡng cắt nguồn, tải tự động hoặc mất ổn định tần số.

SÁNG KIẾN TÍNH TOÁN QUÁN TÍNH

HỆ THỐNG ĐIỆN

Quán tính hệ thống điện (HTĐ) được định nghĩa là khả năng của một hệ thống điện chống lại sự thay đổi tần số hệ thống nhờ sự phản kháng được cung cấp bởi động năng của các khối quay trong mỗi máy phát điện – tua-bin đồng bộ. Khi có các nhiễu động thay đổi cân bằng nguồn, tải trên hệ thống, đặc biệt là các nhiễu động lớn như mất nguồn, tải, đáp ứng đầu tiên của hệ thống khiến tần số không bị thay đổi quá nhanh chính là từ quán tính HTĐ. Quán tính càng lớn đồng nghĩa với việc tốc độ thay đổi của tần số giảm đi, từ đó có thêm thời gian để các hệ thống như điều tần sơ cấp làm việc, tránh tần số đi vào các ngưỡng cắt nguồn, tải tự động hoặc mất ổn định tần số.

Trong HTĐ truyền thống, các nguồn như nhiệt điện, thủy điện, tuabin khí có tuabin là các khối quay lớn, đều đóng góp cho quán tính của Hệ thống điện. Như vậy khi hệ thống điện càng mở rộng, quán tính trở nên càng lớn, đồng nghĩa với khả năng chống chịu các nhiễu động về tần số cao hơn. Tuy nhiên, với tỉ lệ xâm nhập lớn và nhanh của các nguồn Năng lượng tái tạo (NLTT) như hiện nay, quán tính HTĐ có xu hướng giảm do các nguồn NLTT với công nghệ inverters không đóng góp vào quán tính quay, cũng như việc cần phải giảm số lượng các đầu máy truyền thống bám lưới để ưu tiên cho nguồn NLTT. Do vậy, tần số HTĐ tiểm ẩn nguy cơ thay đổi nhanh hơn với các sự cố, trong trường hợp các sự cố lớn dễ dẫn tới việc cắt tải, cắt nguồn sớm trước khi đáp ứng điều tần sơ cấp kịp làm việc.

Sự phát triển của nguồn NLTT và ảnh hưởng đến quán tính HTĐ:

Trong thời gian vừa qua, cùng với chính sách ưu đãi phát triển năng lượng tái tạo, hệ thống điện Việt Nam ghi nhận sự phát triển bùng nổ của các nguồn NLTT điện mặt trời (ĐMT), điện gió (ĐG). Tính đến hết năm 2020, tổng công suất năng lượng tái tạo đã đóng điện trên HTĐ Quốc gia đã lên đến ~ 17540 MW (bao gồm khoảng 8700 MW nguồn ĐMT trang trại, 540 MW nguồn ĐG và 8300 MW nguồn ĐMT áp mái), chiếm 24.6% công suất đặt hệ thống. Đây là nguồn cung cấp công suất, năng lượng cần thiết để đảm bảo an ninh cung cấp điện. Đặc biệt trong những khung giờ thấp điểm trưa hoặc ngày lễ Tết, khi nền phụ tải hệ thống giảm thấp trong khi các nguồn năng lượng tái tạo vẫn được ưu tiên phát tối đa trong khả năng giải tỏa của lưới điện, thì tỉ lệ công suất nguồn này đóng góp vào hệ thống có thể lên đến 45-60% tổng nhu cầu phụ tải. Trong giai đoạn ngắn từ nay đến hết 2021, các nguồn năng lượng tái tạo sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh với khoảng 3000 MW nguồn điện gió sẽ đi vào vận hành, chiếm tỉ lệ 18.6% công suất đặt hệ thống. Trong giai đoạn xa hơn, các nguồn năng lượng tái tạo sẽ còn tiếp tục tăng trưởng và có thể chiếm tỉ lệ cao hơn nữa trong cơ cấu nguồn toàn hệ thống, trong khi tốc độ tăng trưởng của phụ tải có thể không tương xứng và còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bất định (như ảnh hưởng của đại dịch Covid 19).

Như đã trình bày ở trên, các nguồn năng lượng tái tạo đều không có mo-men quay như nhà máy điện truyền thống nên không thể cung cấp được quán tính quay cho HTĐ. Do vậy, quán tính HTĐ Việt Nam sẽ ngày càng có xu hướng giảm thấp khi sự thâm nhập của các nguồn NLTT vào hệ thống sẽ ngày càng lớn trong tương lai không xa.

Sự cần thiết của việc tính toán, giám sát quán tính HTĐ trong thời gian thực:

Trước những thực trạng nêu trên, việc tính quán tính hệ thống điện Việt Nam để giám sát trong thời gian thực đang là vô cùng cấp thiết. Kết quả tính quán tính sẽ được khai thác hiệu quả trong công tác điều độ vận hành hệ thống điện, cụ thể:

  • Trong điều độ hệ thống điện khung thời gian thực và ngắn hạn (vài giờ tới): giám sát kết quả tính quán tính on-line so với ngưỡng quán tính tối thiểu (critical inertial) của hệ thống điện Việt Nam, từ đó Điều độ viên có tác động thích hợp, kịp thời để khôi phục mức quán tính hệ thống, đảm bảo ổn định tần số nếu xảy ra các sự cố lớn cực đoan.
  • Trong tính toán, phân tích hệ thống điện: dữ liệu về quán tính hệ thống sẽ được sử dụng trong xây dựng mô hình đáp ứng tần số của hệ thống, từ đó có thể mô phỏng tính toán, phân tích chế độ vận hành hệ thống điện, phục vụ việc lập kế hoạch vận hành hệ thống (xác định chính xác mức dự phòng điều tần cho các chế độ khác nhau) hoặc hậu kiểm đáp ứng tần số với các sự kiện quá khứ.

    Đối với hệ thống điện Việt nam, vấn đề về quán tính hệ thống vẫn còn nhiều hạn chế. Trước khi nhóm tác giả thực hiện sáng kiến này, HTĐ Việt Nam vẫn chưa tính toán được giá trị quán tính hệ thống trong thời gian thực, cũng như chưa xác định được mức ngưỡng tối thiểu về quán tính hệ thống cần đạt được để đảm bảo duy trì ổn định tần số khi có sự cố nguồn, tải lớn, tránh nguy cơ phải sa thải phụ tải. Đối với việc lập phương thức vận hành trung, ngắn hạn cho các cấu hình vận hành đặc biệt dịp Lễ Tết,  ĐĐQG cũng thường xuyên phải tính các cấu hình đầu máy tối thiểu để có thể đảm bảo được tiêu chí điện áp, trào lưu tránh quá tải, tuy nhiên lại chưa có tính toán về số lượng đầu máy tối thiểu phải giữ được để đảm bảo quán tính. Điều này tiểm ẩn nguy cơ cấu hình tối thiểu có thể chưa tin cậy và không tối ưu.

    Từ những khó khăn và hiện trạng như trình bày ở trên, các kĩ sư của ĐĐQG đã nghiên cứu, sáng tạo và thực hiên sáng kiến này nhằm đạt các mục tiêu:

  • Xây dựng phương pháp luận và công cụ để tính toán và giám sát quán tính hệ thống điện Việt Nam trong thời gian thực;
  • Xác định mức quán tính tối thiểu của hệ thống điện Việt Nam để đảm bảo duy trì ổn định tần số trong các chế độ/cấu hình vận hành đặc biệt.

Từ các phương pháp tính toán/đo quán tính hệ thống điện được nghiên cứu ở trên, với hạ tầng hiện hữu, các kỹ sư của ĐĐQG lựa chọn phương pháp “Tính quán tính trực tiếp thông qua các máy phát đồng bộ” để tính toán quán tính HTĐ Việt Nam trong thời gian thực cho giai đoạn bước đầu, với các cơ sở để có thể thực hiện như sau:

  • Khai thác tối đa các cơ sở hạ tầng và trang thiết bị sẵn có của ĐĐQG. Đó là hệ thống SCADA/EMS cho biết trạng thái vận hành của toàn bộ các tổ máy phát truyền thống đấu nối lưới từ cấp 110kV trở lên. Hiện tại, CSDL của ứng dụng EMS đã được cập nhật đầy đủ 100% các trạm/NMĐ trên hệ thống điện từ cấp 110-500kV thuộc quyền điều khiển của A0-Ax.
  • Việc sử dụng các phương pháp “Tính quán tính thông qua đo từ PMU các thay đổi nhỏ, liên tục công suất nguồn-tải trên hệ thống và “Tính quán tính thông qua hệ thống chuyên dụng, chủ động bơm xung kích thích liên tục vào hệ thống lượng thay đổi nguồn-tải nhỏ, cần thêm một số không nhiều các thiết bị đo tần số tốc độ cao sẽ cho kết quả tính/đo quán tính hệ thống điện chính xác hơn, tuy nhiên đều cần phải đầu tư dự án trang bị hệ thống/thiết bị với chi phí lớn. Hiện tại ĐĐQG đang ở giai đoạn bắt đầu báo cáo EVN về việc đầu tư dự án, nên chưa thể khai thác trong thời gian vài năm tới được.

Công cụ tính toán quán tính HTĐ Việt Nam trong thời gian thực đã được xây dựng và chạy thử nghiệm trong thời gian 03 tháng từ tháng 6 đến tháng 9 năm 2020, sau đó đưa vào áp dụng từ tháng 10 năm 2020 tới nay.

Kể từ thời điểm áp dụng, công cụ đã chạy liên tục, tính toán được giá trị quán tính hệ thống điện Việt Nam trong thời gian thực, đồng thời đưa ra hiển trị trực quan trên giao diện giám vận hành của Điều độ viên và tạo chuông alarm để cảnh báo khi mức quán tính xuống dưới ngưỡng yêu cầu tối thiểu. Kết quả của sáng kiến này đã bước đầu phát huy hiệu quả trong thời gian Tết Nguyên đán Tân Sửu 2021 vừa qua, khi quán tính hệ thống giảm xuống mức rất thấp và ảnh hưởng đến chất lượng ổn định của tần số, công cụ đã mang tính định hướng quan trọng cho Điều độ viên trong vận hành HTĐ.

Trong thời gian tới, nhóm tác giả sẽ tiếp tục có những nghiên cứu để nâng cao hơn độ chính xác của kết quả tính toán quán tính hệ thống điện trong thời gian thực (như sử dụng kết quả tính toán quán tính offline từ các sự cố quá khứ dựa trên hệ thống WAMS để hiệu chỉnh công cụ tính quán tính online…) và cập nhật kết quả tính toán mức quán tính tối thiểu dựa trên phương pháp thực nghiệm từ chuỗi dữ liệu của các sự cố quá khứ bên cạnh phương pháp mô phỏng hiện đang áp dụng. Tuy nhiên, việc tăng cường độ chính xác của tính toán quán tính từ các giải pháp này đều sẽ trở nên rất phức tạp và trên thế giới cũng chưa có giải pháp hoàn thiện cho các phương pháp này. Về giải pháp lâu dài, để xác định được chính xác được quán tính hệ thống, các phương pháp tối tân hơn cần được nghiên cứu, xem xét để nâng cao độ chính xác và tính áp dụng của quán tính HTĐ.

Gửi ý kiến nhận xét

Tên của bạn
Địa chỉ Email
Tiêu đề
Nội dung
Hoạt động theo giấy phép số 105/GP-TTDT do cục quản lý phát thanh, truyền hình và thông tin điện tử cấp ngày 27/05/2011
Bản quyền thuộc về trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia
Điện thoại: +84-24-3927 6180. Fax: +84-24-3927 6178.