PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện
KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM - XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TỔ MÁY 1000 MW Lê Đức Thiện Vương, Võ Ngọc Điều Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Báo cáo này thực hiện khảo sát ổn định của hệ thống điện Việt Nam vào các năm 2020 và 2025 khi xuất hiện các tổ máy phát công suất lớn 1000 MW của các nhà máy nhiệt điện than và điện hạt nhân trên toàn quốc. Việc đánh giá ổn định được thực hiện bằng phần mềm PSS/E của hãng PTI trên cơ sở giả lập các sự cố trên hệ thống điện truyền tải và khảo sát dao động hệ thống sau khi xảy ra sự cố. Từ đó xem xét ảnh hưởng của các tổ máy công suất lớn đối với ổn định của hệ thống điện. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam là một nước đang trong quá trình phát triển, nhu cầu tiêu thụ điện năng cao. Theo số liệu thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), điện sản xuất và mua ngoài của toàn hệ thống năm 2013 ước đạt 127.84 tỷ kWh, tăng 8.47% so với năm 2012 trong đó điện sản xuất của EVN khoảng 56.45 tỷ kWh. Điện thương phẩm toàn tập đoàn khoảng 115,06 tỷ kWh tăng 9,1% so với năm 2012. Với mức độ tăng trưởng này thì việc xây dựng thêm các nhà máy điện mới, công suất lớn là điều tất yếu. Theo thống kê, đến cuối năm 2013, tổng công suất đặt của các nhà máy điện ở Việt Nam bao gồm cả công suất nhập khẩu xấp xỉ khoảng 28700 MW, trong đó công suất khả dụng khoảng 28250 MW. Theo quy hoạch điện VII và các quyết định điều chỉnh, quy mô công suất đặt của Việt Nam đến năm 2030 như bảng 1. Bảng 1. Tiến độ phát triển nguồn điện Việt Nam đến 2030 Năm Công suất đặt (MW)
2013
2015
2020
2025
2030
28700
37200
76300
103700
143200
Với tốc độ tăng trưởng này thì việc xây dựng các tổ máy công suất lớn là không thể tránh khỏi. Theo quy hoạch sau năm 2020 sẽ xuất hiện các tổ máy công suất 1000MW (Điện hạt nhân Ninh Thuận, Nhiệt điện than Sông Hậu, Long Phú, Kiên Lương), đặc biệt sau 2025 sẽ xuất hiện tổ máy công suất 1350 MW (điện hạt nhân miền Trung).
1
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014 Trong hệ thống điện thường xảy ra các sự cố ngắn mạch, khi đó các máy cắt sẽ tác động cắt các phần tử bị sự cố. Điều này dẫn đến dao động trong hệ thống điện, tùy vào mức độ sự cố và tầm ảnh hưởng của các phần tử bị sự cố, dao động của hệ thống có thể tắt dần, trở về trạng thái xác lập mới hoặc tiếp tục dao động dẫn đến hệ thống mất ổn định. Trong báo cáo này sẽ thực hiện khảo sát ổn định của hệ thống khi xảy ra sự cố đối với các tổ máy công suất 1000 MW hoặc các đường dây đồng bộ của tổ máy dẫn đến phải cắt tổ máy hoặc cắt đường dây truyền tải làm đột ngột mất lượng công suất của tổ máy. 2. MÔ TẢ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN Giả thiết rằng HTĐ đang làm việc bình thường với P0 và δ0 - điểm a (hình 1) thì xảy ra ngắn mạch. Đường đặc tính công suất thay đổi đột ngột từ PI sang đường PII (điện áp trên điểm ngắn mạch giảm thấp làm công suất của nhà máy điện không truyền vào hệ thống được). Công suất điện giảm thấp nhưng do quán tính của rotor góc δ chưa kịp biến đổi mà vẫn giữ giá trị δ0, vì vậy điểm làm việc rơi xuống điểm b trên đường PII. Lúc này công suất turbin P0 lớn hơn công suất điện và sinh ra công suất thừa dương.
Hình 1. Quá trình dao động của hệ thống điện P0 P0 P0 P0 PI Im ax sin 0 '
2
(1)
PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện Công suất thừa ΔP0 gây cho rotor gia tốc ban đầu α0 và làm cho tốc độ tương đối của rotor Δω = ω - ω0 tăng lên (ở thời điểm ban đầu Δω = 0). Góc δ tăng lên và điểm làm việc trượt trên đường đặc tính công suất PII. Cùng với sự tăng lên của δ, ΔP = P0 – PIImaxsinδ giảm đi, khiến cho gia tốc tương đối α giảm đi nhưng tốc độ góc tương đối Δω vẫn tăng lên vì P > 0. Đến khi δ = δC, ΔP = 0 và α = 0, tốc độ góc tương đối Δω đạt giá trị cực đại. Do quán tính góc δ tiếp tục tăng lên quá δC, lúc này ΔP đổi dấu, nó tác động hãm rotor lại, gia tốc α mang dấu âm và Δω giảm dần. Quá trình chuyển động tiếp tục cho đến Δω = 0, góc δ đạt giá trị cực đại (điểm d), lúc đó ΔP đạt giá trị âm lớn nhất, gia tốc a cũng đạt giá trị âm lớn nhất. Quá trình chuyển động do đó có tính chất ngược lại so với ban đầu, góc δ giảm xuống, Δω tăng dần theo chiều âm, ΔP giảm dần. Quá trình chuyển động tiếp tục nhờ vậy sau một số chu kỳ góc δ sẽ dừng lại tại giá trị δ0 là vị trí cân bằng công suất (hình 1). Quá trình vừa diễn tả là quá trình trong đó hệ thống có ổn định và sau một số dao động sự cân bằng công suất được phục hồi với góc làm việc mới là δC. Tình hình sẽ khác hẳn nếu như góc δ trong quá trình dao động vượt góc δC’, lúc đó công suất thừa ΔP lại có giá trị dương, rotor lại bị tăng tốc và góc δ sẽ tăng lên vô cùng. Như vậy HTĐ chỉ có ổn định khi nào góc δ nhỏ hơn δC’, là góc giới hạn ổn định của HTĐ. Góc δC’ phụ thuộc vào đặc tính công suất ngắn mạch hay sau khi cắt ngắn mạch và công suất ban đầu P0. Điều kiện đảm bảo: δmax < δC’. 3. CÁC KỊCH BẢN KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN Để thực hiện phân tích ổn định cho hệ thống điện toàn quốc báo cáo đã sử dụng chương trình PSS/E (Power System Similator for Engineering) của hãng PTI (Mỹ). Thông qua việc mô tả các máy phát, đường dây, trạm biến áp và các phụ tải chương trình đã tự động thiết lập phương trình vi phân cho phép phân tích phản ứng của hệ thống khi có các biến động lớn xảy ra. Trong quá trình tính toán các máy phát điện được mô phỏng số hóa kèm theo hệ thống kích từ, hệ thống điều tốc và hệ thống cân bằng công suất. Tuy nhiên, nếu các máy phát có công suất quá nhỏ và ảnh hưởng của các hệ thống điều tốc và cân bằng công suất đến độ ổn định của hệ thống là rất nhỏ thì theo lý thuyết sai số cho phép có thể bỏ qua các hệ thống này. Quá trình tính toán ổn định động được mô phỏng theo trình tự như sau: Ngắn mạch 1 pha chạm đất và tự đóng lại thành công: - Mô phỏng chế độ xác lập trước khi xảy ra sự cố (chạy chế độ xác lập đến 2s); - Mô phỏng sự cố ngắn mạch: Mô phỏng ngắn mạch một pha chạm đất xảy ra trên đường dây ở thời điểm t = 2s, thời gian loại trừ sự cố t0 = 80ms (đối với lưới 500 kV) hoặc 100ms (đối với lưới 220 kV); - Sau thời gian t + t0 đoạn đường dây bị sự cố được thay bằng giá trị trở kháng hai pha tương đương để thể hiện điều kiện mở một pha;
3
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014 - Thời gian trễ sử dụng trong tính toán là tI = 600ms. Đây là thờỉ gian trung bình cần thiết để triệt tiêu hồ quang thứ cấp tại điểm ngắn mạch (thời gian này được xác định thông qua chương trình EMTP); - Sau thời gian t = 2 + t0 + tI giây, giá trị trở kháng của đoạn đường dây bị sự cố được khôi phục lại giá trị ban đầu (thể hiện tự đóng lại một pha thành công); - Thời gian mô phỏng hệ thống kéo đài tới 30s để kiểm tra ổn định.
Ngắn mạch 3 pha và cắt phần tử sự cố: - Mô phỏng chế độ xác lập trước khi xảy ra sự cố (chạy chế độ xác lập đến 2s); - Mô phỏng sự cố ngắn mạch: Mô phỏng ngắn mạch 3 pha xảy ra trên đường dây ở thời điểm t = 2s bằng cách thay điện dẫn tại điểm ngắn mạch bằng điện dẫn sự cố. Thời gian loại trừ sự cố t0 = 80ms (đối với lưới 500 kV) hoặc 100ms (đối với lưới 220 kV); - Sự cố được loại trừ tại t = t + t0 bằng cách cắt đường dây hoặc máy phát sự cố; - Thời gian mô phỏng hệ thống kéo dài tới 30s để kiểm tra ổn định.
Độ ổn định của hệ thống sẽ được xác định bởi việc đánh giá góc lệch pha tương đối giữa các suất điện động của các máy phát, điện áp lưới, tần số của hệ thống và độ suy giảm biên độ dao động khi các sự cố xảy ra. Trong phạm vi báo cáo chỉ thực hiện khảo sát đối với các tổ máy có công suất lớn, đấu nối lên hệ thống điện ở cấp điện áp 500kV, 220kV và 110kV. Các mô hình tổ máy phục vụ cho báo cáo đều trang bị đầy đủ các hệ thống kích từ, hệ thống điều tốc và hệ thống cân bằng công suất. Mô hình các tổ máy trong tương lai được tham khảo từ mô hình các tổ máy hiện có cùng công suất và chủng loại; đối với các tổ máy chưa có tham khảo thì các mô hình được lấy theo thông số của các nhà sản xuất hoặc từ mô hình lý tưởng của IEEE. 4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2020 Năm 2020 theo quy hoạch điện VII, hệ thống điện Việt Nam có khoảng hơn 300 tổ máy, trong đó tổ máy đầu tiên của nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận sẽ đi vào vận hành, cung cấp cho phụ tải hệ thống qua đường dây mạch kép 500kV Điện Hạt Nhân – Bình Dương. Báo cáo sẽ mô phỏng các sự cố xảy ra gần thanh cái 500kV nhà máy Điện Hạt Nhân, sau đó xử lý bằng cách cắt tổ máy hoặc đường dây sự cố, quan sát dao động của hệ thống để đánh giá ổn định. Một số kết quả mô phỏng bằng PSS/E như sau: Sự cố ngắn mạch 3 pha gần thanh cái 500 kV nhà máy điện hạt nhân, tiến hành cắt tổ máy điện hạt nhân số 1:
4
PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện
Sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây 500 kV điện hạt nhân – Bình Dương, tiến hành cắt đường dây sự cố:
5
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014 Sự cố ngắn mạch 1 pha trên đường dây 500 kV điện hạt nhân – Bỉnh Dương, tiến hành mở pha bị sự cố sau đó đóng lặp lại thành công:
Nhận xét: - Khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha phía tổ máy, buộc phải cắt tổ máy, hệ thống đột ngột mất đi lượng công suất 1000 MW, tuy nhiên vào năm 2020, chỉ mới có 1 tổ máy của nhà máy điện hạt nhân hoạt động nên việc cắt tổ máy này chỉ gây nên thiếu công suất, lượng công suất thiếu có thể bù đắp nhờ các nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân, Vân Phong,… trong khu vực. Hệ thống vẫn duy trì ổn định sau khoảng 5-6s sau sự cố; - Trường hợp nặng nề hơn là khi ngắn mạch trên đường dây 500 kV điện hạt nhân – Bình Dương, buộc phải cắt 01 mạch của đường dây này. Lúc này mạch còn lại phải chịu tải cao hơn, trong khi đó công suất từ TTĐL Vĩnh Tân vẫn đổ về thanh cái 500 kV của NMĐ hạt nhân, tổ máy 1000 MW của NMĐ hạt nhân không thể giải phóng hết công suất, lượng công suất thừa này làm cho góc pha tương đối của máy phát tăng cao, dẫn đến khả năng dễ mất ổn định; - Trưởng hợp ngắn mạch 1 pha và tự đóng lại thành công ảnh hưởng nhỏ hơn, trong thời gian cắt 1 pha công suất truyền tải trên mạch này suy giảm nhưng cùng với mạch còn lại vẫn đủ khả năng truyền hết công suất cho tổ máy 1000 MW. Hệ thống điện vẫn ổn định sau 5-6 giây.
6
PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện 5. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2025 Đến năm 2025 theo quy hoạch điện VII, hệ thống điện Việt Nam có khoảng hơn 350 tổ máy, trong đó cả 4 tổ máy của nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận đi vào vận hành, cung cấp cho phụ tải hệ thống qua đường dây mạch kép 500 kV điện hạt nhân – Bình Dương. Báo cáo sẽ mô phỏng các sự cố xảy ra gần thanh cái 500 kV nhà máy điện hạt nhân, sau đó xử lý bằng cách cắt tổ máy hoặc đường dây sự cố, quan sát dao động của hệ thống để đánh giá ổn định. Trường hợp này lượng công suất đổ về thanh cái 500 kV của nhà máy điện hạt nhân rất lớn. Một số kết quả mô phỏng bằng PSS/E như sau: Sự cố ngắn mạch 3 pha gần thanh cái 500kV nhà máy điện hạt nhân, tiến hành cắt tổ máy điện hạt nhân số 1:
7
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014 Sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây 500 kV điện hạt nhân – Bỉnh Dương, tiến hành cắt đường dây sự cố:
Sự cố ngắn mạch 1 pha trên đường dây 500 kV điện hạt nhân – Bỉnh Dương, tiến hành mở pha bị sự cố sau đó đóng lặp lại thành công:
8
PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện Nhận xét: Tương tự như khảo sát ở năm 2020, tuy nhiên ở năm 2025 khi mà cả 4 tổ máy của NMĐ hạt nhân Ninh Thuận đã hoạt động, công suất đổ về thanh cái 500 kV của NMĐ rất lớn. Do đó khi xảy ra ngắn mạch gần thanh cái, dòng ngắn mạch cao, khi cắt tổ máy hay cắt đường dây đều gây ra các dao động mạnh; Đối với trường hợp mất tổ máy và ngắn mạch 1 pha, hệ thống vẫn trở về ổn định tuy nhiên thời gian trở về xác lập kéo dài hơn so với năm 2020; Trường hợp ngắn mạch 3 pha trên 1 mạch đường dây 500 kV điện hạt nhân – Bình Dương, sau khi cắt đường dây, góc pha tương đối của các tổ máy tại nhà máy điện hạt nhân dao động mạnh, không trở về xác lập, hệ thống có thể mất ổn định. 6. KẾT LUẬN Theo các kết quả tính toán cho thấy sau năm 2020 khi mà công suất đặt của toàn hệ thống lớn (năm 2020 là hơn 76 000 MW) thì ảnh hưởng khi xảy ra sự cố đối với các tổ máy 1000 MW vẫn kiểm soát được. Chỉ trong trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây đồng bộ, buộc phải cắt đường dây sự cố, khi đó công suất phát ra hệ thống của các tổ máy bị hạn chế, lượng công suất thừa làm cho góc pha tương đối của máy phát tăng lên, không trở về xác lập, dẫn đến hệ thống có thể mất ổn định theo tiêu chuẩn ổn định góc. Dòng ngắn mạch càng lớn thì khả năng dao động góc pha tương đối của máy phát càng cao, hệ thống càng dễ mất ổn định. Do đó cần có các biện pháp hạn chế dòng ngắn mạch và giảm nhanh công suất phát của tổ máy khi xảy ra sự cố. Nhìn chung việc đưa các tổ máy điện công suất lớn vào sau năm 2020 là có thể thực hiện được, vẫn đảm bảo được về mặt ổn định hệ thống khi xảy ra sự cố.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]
[2]
[3] [4] [5]
Mohamad, A.M. et al, “Transient stability analysis on Sarawak's Grid using Power System Simulator for Engineering (PSS/E)”, Industrial Electronics and Applications (ISIEA), 2011 IEEE Symposium on 25-28 Sept. 2011. Quyen Le-Cao et al, “Study of FACTS device applications for the 500kV Vietnam's power system”, Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2010 IEEE PES, 19-22 April 2010. Tran-Quoc, T. et al, “Improvement of voltage stability on the Vietnam power system”, Power Engineering Society Winter Meeting, 2000. IEEE (Volume:2), 2000. Lã Văn Út, “Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2011. Nguyễn Hoàng Việt – Phan Thị Thanh Bình, “Ngắn mạch và ổn định trong hệ thống điện”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2010.
9
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2014 [6]
10
Phòng Phương thức – TT Điều độ hệ thống điện quốc gia, “Tài liệu hướng dẫn sử dụng chương trình PSS/E”, 2007.
PHÂN BAN B2. Truyền tải và phân phối điện
11
12
