Điều khiển Tần số Tải (LFC) & Điều khiển Thủy lực Tuabin (TGC) trong Hệ thống Điện
Giới thiệu ngắn gọn về các đơn vị phát điện nhiệt
Sản xuất điện dựa trên cả nguồn năng lượng tái tạo và không tái tạo. Các đơn vị phát điện nhiệt đại diện cho phương pháp truyền thống trong sản xuất điện. Trong những đơn vị này, các nhiên liệu như than, năng lượng hạt nhân, khí tự nhiên, nhiên liệu sinh học và khí sinh học được đốt cháy trong lò hơi.
Lò hơi của một đơn vị phát điện là một hệ thống cực kỳ phức tạp. Trong cách hiểu đơn giản nhất, nó có thể được hình dung như một buồng chứa có thành được bao phủ bởi các ống, qua đó nước liên tục tuần hoàn. Năng lượng nhiệt giải phóng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong lò hơi được chuyển đến nước này. Trong quá trình này, nước được biến đổi thành hơi bão hòa khô với áp suất cao (từ 150 ksc đến 380 ksc, tùy thuộc vào thiết kế) và nhiệt độ cao (từ 530°C đến 732°C, tùy theo quy định thiết kế).
Hơi bão hòa này sau đó được đưa vào tua-bin, nơi nó mở rộng và nhiệt độ giảm. Trong quá trình mở rộng, hơi chuyển năng lượng nhiệt thành năng lượng quay của trục tua-bin. Lưu lượng hơi vào tua-bin được điều chỉnh bằng van điều khiển, được quản lý bởi hệ thống điều khiển của tua-bin. Do đó, công suất hoạt động của tua-bin được kiểm soát bởi bộ điều tốc. Tua-bin được kết nối với máy phát điện đồng bộ.
Máy phát điện đồng bộ chuyển đổi năng lượng cơ học của tua-bin thành năng lượng điện. Máy phát điện đồng bộ tạo ra điện ở mức điện áp tương đối thấp, thường nằm trong khoảng từ 11 kV đến 26 kV, ở tần số định mức. Điện áp này sau đó được tăng lên 220 kV/400 kV/765 kV bởi máy biến áp phát điện để truyền vào lưới điện. Trong các nghiên cứu hệ thống điện, toàn bộ hệ thống tích hợp này được gọi là đơn vị phát điện.
Điều khiển bộ điều tốc tua-bin (TGC)
Như đã đề cập, bộ điều tốc điều chỉnh lưu lượng công suất hoạt động vào tua-bin bằng cách kiểm soát vị trí của van điều khiển. Một bộ điều tốc thủy lực có thể được mô hình hóa như một bộ điều khiển tích phân lấy phản hồi từ tốc độ thực tế của tua-bin. Hình 1 minh họa cách hoạt động của bộ điều tốc ở chế độ điều khiển tốc độ.
Tốc độ thực tế của tua-bin được so sánh với tốc độ tham chiếu (tương ứng với tần số lưới định mức). Dấu hiệu lỗi tốc độ (∆ωᵣ) sau đó được gửi đến bộ điều tốc. Dựa trên dấu hiệu lỗi này, bộ điều tốc điều chỉnh vị trí van điều khiển: nếu phát hiện dấu hiệu lỗi dương (chỉ ra rằng tần số thực tế vượt quá tần số định mức), bộ điều tốc đóng van một chút; ngược lại, nó mở van khi nhận được dấu hiệu lỗi âm.
"R" đại diện cho cài đặt rớt của bộ điều tốc, thường nằm trong khoảng từ 3% đến 8%. Toán học, nó được định nghĩa là:
R = (sự thay đổi theo đơn vị tần số) / (sự thay đổi theo đơn vị công suất)
Cài đặt rớt rất quan trọng cho việc vận hành song song ổn định của nhiều đơn vị phát điện, vì chúng xác định cách chia sẻ tải trong một khu vực điều khiển. Các đơn vị có giá trị rớt nhỏ hơn sẽ tự động đảm nhận một phần lớn hơn của tải.
Khu vực điều khiển
Trong hệ thống điện, các đơn vị phát điện và tải được phân bố trên các vùng địa lý rộng lớn. Để duy trì sự ổn định, toàn bộ lưới điện được chia thành các khu vực điều khiển nhỏ hơn (chủ yếu dựa trên địa lý). Việc phân chia này cho phép:
Trong một khu vực điều khiển, nhiều đơn vị phát điện và tải cùng tồn tại. Việc phân chia hệ thống điện thành các khu vực điều khiển phục vụ nhiều mục tiêu quan trọng:
1. Điều khiển tần số tải
Khung này cho phép áp dụng các phương pháp điều khiển tần số tải để duy trì tần số lưới - một khái niệm sẽ được khám phá chi tiết hơn sau.
2. Xác định các giao dịch lập lịch
Nếu sản lượng của một khu vực điều khiển không đủ đáp ứng nhu cầu tải, điện sẽ chảy vào khu vực từ các khu vực điều khiển lân cận thông qua đường dây liên kết (và ngược lại).
3. Chia sẻ tải hiệu quả
Nhu cầu tải thay đổi trong ngày (ví dụ: thấp hơn vào ban đêm, đỉnh điểm vào buổi sáng và chiều). Các khu vực điều khiển giúp đơn giản hóa quá trình:
Cân bằng công suất
Năng lượng điện được tiêu thụ theo thời gian thực (nó không thể được lưu trữ trên quy mô lớn). Do đó, cân bằng công suất là yêu cầu cơ bản:
Công suất sản xuất (P₉) = Nhu cầu tải (Pd) + Mất mát truyền tải (Pₗ)
Mất mát truyền tải thường chiếm khoảng 2% công suất sản xuất và thường bị bỏ qua khi tập trung vào điều khiển tần số. Vì đơn giản, chúng ta xấp xỉ:
Công suất sản xuất (P₉) ≈ Nhu cầu tải (Pd)
Biến thiên tần số
Tần số lưới dao động do sự không khớp giữa nhu cầu tải và sản lượng. Mặc dù các sai lệch nhỏ được ổn định bởi quán tính hệ thống, nhưng các khoảng cách lớn (ví dụ: sự cố đơn vị, thay đổi tải lớn) có thể khiến tần số thay đổi ±5%. Các tình huống chính bao gồm:
Trong hầu hết các trường hợp (ví dụ: sự cố đơn vị/đường dây, kết nối tải lớn), nhu cầu vượt quá sản lượng, khiến tần số giảm. Ngược lại, nếu một đường dây truyền tải phục vụ một tải lớn bị ngắt, sản lượng có thể vượt quá nhu cầu, khiến tần số tăng. Mặc dù hệ thống phản ứng ngược lại trong các tình huống này, việc hiểu rõ về sự giảm tần số đủ để nắm bắt cả hai hành vi.
Tại sao tần số giảm xảy ra
Hai hành vi hệ thống nội tại gây ra sự giảm tần số:
1. Làm giảm tải
Các động cơ cảm ứng (ví dụ: quạt gia đình, động cơ công nghiệp) chiếm ưu thế trong tải lưới. Việc tiêu thụ công suất của chúng phụ thuộc vào tần số: một sự giảm 1% tần số thường làm giảm tiêu thụ công suất hoạt động khoảng 2% trong các hệ thống lớn. Khi tải mới kết nối, tần số giảm, và các tải cảm ứng hiện có tự động tiêu thụ ít công suất hơn - một phần giảm thiểu khoảng cách giữa nhu cầu và sản lượng.
2. Giải phóng năng lượng động từ bộ tua-bin - máy phát (TG)
Các bộ TG truyền thống có rotor lớn (thường >25 tấn) quay với tốc độ 3000 vòng/phút (cho lưới 50Hz). Khi nhu cầu vượt quá sản lượng, các rotor này tạm thời cung cấp năng lượng động đã lưu trữ (trong 3-5 giây, tùy thuộc vào quán tính). Khi rotor chậm lại, tần số lưới giảm.
Điều khiển tần số
Điều khiển tần số tải (LFC) khôi phục tần số lưới về giá trị định mức sau khi có sự không khớp giữa nhu cầu và sản lượng. Có hai cấp độ điều khiển:
1. Điều khiển tần số sơ cấp
Ở cấp độ đơn vị, hệ thống điều khiển của tua-bin điều chỉnh tốc độ (và do đó tần số). Như đã nêu trước đây, mỗi đơn vị điều chỉnh lượng hơi đầu vào dựa trên sự sai lệch tần số. Vòng điều khiển sơ cấp đầy đủ cho một nhà máy phát điện được mô tả trong hình dưới đây.
2. Điều khiển tần số thứ cấp
Điều này liên quan đến việc điều khiển phối hợp giữa nhiều đơn vị trong các khu vực điều khiển khác nhau, đảm bảo sự ổn định tần số dài hạn và chia sẻ tải tối ưu.
Hạn chế của Điều khiển tần số sơ cấp
Chỉ sử dụng điều khiển tần số sơ cấp dẫn đến sự sai lệch tần số trạng thái ổn định, chịu ảnh hưởng bởi đặc tính rớt của bộ điều tốc và độ nhạy tần số tải. Điều này xảy ra vì các đơn vị riêng lẻ điều chỉnh tốc độ mà không xem xét vị trí tải mới được kết nối hoặc lượng tải được thêm vào. Không có đánh giá ngữ cảnh, cân bằng công suất không thể được khôi phục hoàn toàn, và sự sai lệch tần số vẫn tồn tại. Sau các hành động điều khiển sơ cấp, sự sai lệch tần số trạng thái ổn định có thể là dương hoặc âm.
Điều khiển tần số thứ cấp
Khôi phục tần số hệ thống về giá trị định mức yêu cầu điều khiển thứ cấp, điều này xem xét vị trí tải mới và điều chỉnh các điểm tham chiếu cho các đơn vị được chọn. Khi tải tăng trong một khu vực điều khiển, sản lượng trong khu vực đó phải tăng để:
Để đạt được điều này:
Sau khi các điểm tham chiếu tải được sửa đổi, các đơn vị bắt đầu điều chỉnh sản lượng. Do tính chất cơ khí của sản xuất điện, mất khoảng 25-30 phút để các đơn vị đạt được sản lượng đã lập lịch. Khi tất cả các nhà máy phát điện đạt được sản lượng mục tiêu, cân bằng công suất được khôi phục, và tần số trở lại định mức.
Phản ứng tổng thể của hệ thống với điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp có thể được hiểu qua biểu đồ dưới đây.
Phản ứng của hệ thống với sự tăng tải (A-B-C-D)
A-B: Giải phóng năng lượng động tạm thời
Trước điểm A, hệ thống hoạt động trong cân bằng công suất. Tại điểm A, tải đột ngột tăng từ P₀ đến P₀ + ∆P. Có khoảng thời gian 3-5 giây trước khi bộ điều tốc phản ứng. Trong khoảng thời gian này, năng lượng động đã lưu trữ của rotor cung cấp cho tải dư, khiến tốc độ rotor giảm và tần số giảm xuống giá trị tối thiểu f₁.
B-C: Hành động điều khiển tần số sơ cấp
Khoảng 5 giây, bộ điều tốc bắt đầu điều khiển tốc độ, tăng lượng hơi đầu vào để khôi phục tốc độ rotor. Giai đoạn này kéo dài khoảng 20-25 giây (tùy thuộc vào mức độ giảm tần số). Như đã thảo luận, điều khiển sơ cấp chỉ để lại sự sai lệch tần số trạng thái ổn định ∆f do đặc tính rớt của bộ điều tốc.
C-D: Điều khiển tần số thứ cấp (kích hoạt AGC)
Khi tần số ổn định, điều khiển thứ cấp (qua AGC) điều chỉnh sản lượng cho các đơn vị được chọn trong mỗi khu vực điều khiển. Quá trình này xem xét:
Các điều chỉnh sản lượng bị hạn chế bởi tỷ lệ tăng công suất thiết kế của các đơn vị, mất vài phút để hoàn thành. Khi hoàn thành, các giao dịch lập lịch trở lại các giá trị đã tính toán, và hệ thống đạt được cân bằng công suất mới với tần số định mức.
