Quán tính hệ thống điện là gì? Vì sao lại cần giám sát quán tính hệ thống điện?

Quán tính hệ thống điện 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” [1]. Khi có sự mất cân bằng nguồn tải, đặc biệt là các sự cố mất nguồn hoặc tải đột ngột thì quán tính của hệ thống điện giúp những đáp ứng tần số đầu tiên của hệ thống không bị biến thiên quá lớn.

Video: Quán tính hệ thống điện là gì [2]

Khi điều độ viên có giám sát quán tính hệ thống (xét đến ngưỡng quán tính tối thiểu của hệ thống điện) trong điều độ hệ thống điện thời gian thực và ngắn hạn (vài giờ tới) sẽ giúp điều độ viên có thể có tác động thích hợp, kịp thời (ví dụ như tăng tỷ trọng các nguồn có quán tính và độ linh hoạt cao, giảm tỷ trọng các nguồn có quán tính thấp) để khôi phục mức quán tính hệ thống nhằm đảm bảo ổn định tần số nếu xảy ra các sự cố lớn cực đoan.

Trong mô hình đáp ứng tần số của hệ thống, thì dữ liệu về quán tính hệ thống điện đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng và kiểm chứng mô hình tính toán, mô phỏng hệ thống điện. Đồng thời, việc hậu kiểm đáp ứng tần số với các sự kiện quá khứ đặc biệt là các sự cố mất nguồn, tải lớn có mức độ nghiêm trọng sẽ giúp củng cố, điều chỉnh nhằm gia tăng độ tin cậy các mô hình, phương pháp tính toán quán tính hệ thống.

Hình 1. So sánh quán tính hệ thống từ phương pháp tính toán “Online” và “Offline”
theo các sự cố mất tổ máy lớn giai đoạn 2020-2021 [3]

Dựa trên các mô hình ta 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 và giúp giảm bớt chi phí cho các dịch vụ điều tần. 

Vì sao gọi quán tính hệ thống điện là người bảo hộ tần số?

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. Do đó, có thể xem quán tính hệ thống điện đang “bảo hộ” và “gồng gánh” tần số khi có nhiễu động xảy ra trên hệ thống.

Hình 2. Ảnh hưởng của việc giảm quán tính của hệ thống lên đáp ứng tần số khi có sự cố xảy ra [4]

Thay đổi của quán tính hệ thống điện khi có sự tham gia cao của các nguồn điện gió và điện mặt trời – Kết quả quan sát quán tính hệ thống điện của Việt Nam khi có sự thâm nhập cao các loại nguồn trên

Trong hệ thống điện 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. Hằng số quán tính của tuabin khí chu trình hỗn hợp trung bình rơi vào khoảng 4.97s, của nhiệt điện than vào khoảng 2.63s và của thủy điện là khoảng 2.40s [5].

Hình 3. Hằng số quán tính quay của các loại hình nguồn phổ biến [5]

Như vậy khi hệ thống điện càng mở rộng, quán tính hệ thống sẽ càng lớn, đồng nghĩa với khả năng chống chịu các nhiễu động về tần số cao hơn. Với một hệ thống điện truyền thống không có các nguồn điện gió và điện mặt trời, quy mô hệ thống càng lớn đồng nghĩa hệ thống càng có tính “vững chắc” về mặt ổn định. Tuy nhiên, với tỉ lệ xâm nhập lớn và nhanh của các nguồn điện gió và điện mặt trời như hiện nay, quán tính hệ thống điện có xu hướng giảm do các nguồn điện gió và điện mặt trời 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 điện gió và điện mặt trời.

Các nguồn điện gió và điện mặt trời tuy có hằng số quán tính quay bằng 0 nhưng có thể có quán tính “ảo” (synthetic inertia). Thuật ngữ “quán tính ảo” có thể được hiểu như nguồn điện gió, điện mặt trời sẽ bắt chước quá trình trao đổi năng lượng quay từ máy phát đồng bộ (có cùng quy mô) với hệ thống điện [6]. Để trang bị “quán tính ảo” thì các nguồn điện gió điện mặt trời cần sử dụng các công nghệ đóng cắt kỹ thuật số tiên tiến.

Quan sát quán tính hệ thống điện Việt Nam tuần từ 08/02 đến 14/02/2021 (dịp lễ tết) cho thấy quán tính hệ thống giảm sâu vào các thời điểm giữa trưa khi các nguồn điện điện mặt trời phát cao. Các nguồn điện gió và điện mặt trời thời điểm này gần như không đóng góp vào quán tính hệ thống điện Việt Nam.

Hình 4. Đóng góp của các loại nguồn lên quán tính hệ thống điện của Việt Nam [1]

Do vậy, tần số hệ thống điện 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. Khi tần số xuống thấp/cao hơn ngưỡng cho phép của thông tư thì lập tức các mạch sa thải tải/nguồn làm việc trước khi đáp ứng điều tần sơ cấp kịp làm việc. Ghi nhận về biến động tần số trên hệ thống điện Việt Nam cho thấy, các thời điểm có quán tính hệ thống thấp là những thời điểm tần số biến động cao hơn so với các thời điểm còn lại. Từ đó cho thấy việc khi quán tính giảm thấp tiềm ẩn nguy cơ gây ra việc tần số biến động vượt các ngưỡng cho phép theo thông tư (49.8~50.2Hz khi vận hành bình thường và 49~51Hz trong trường hợp sự cố đơn lẻ).

Hình 5. Biến động tần số và quán tính hệ thống điện dịp lễ tết 2021 của hệ thống điện Việt Nam [1]

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 hệ thống điện. Khi hệ thống điện có sự tích hợp cao các nguồn năng lượng tái tạo và giảm tỷ trọng các nguồn truyền thống sẽ dẫn đến sự suy giảm đáng kể quán tính hệ thống. Ghi nhận quán tính hệ thống điện Việt Nam ngày 1/1/2021 cũng như tính toán mô phỏng năm 2045 cho thấy việc quán tính hệ thống giảm thấp so với khi chưa có sự xâm nhập các nguồn điện gió và điện mặt trời.

Hình 6. Quán tính hệ thống điện Việt Nam khi chưa có sự xâm nhập các nguồn Năng lượng tái tạo, tết dương lịch năm 2021 và mô phỏng đến 2045 dịp tết dương lịch [1]

Các biện pháp khắc phục sự suy giảm quán tính hệ thống điện khi tăng tỷ trọng xâm nhập của các nguồn điện gió và điện mặt trời

1.Bổ sung quán tính hệ thống

Việc bổ sung các nguồn có hằng số quán tính cao vào hệ thống như các nhiệt điện khí, nhiệt điện dầu… vào quá trình vận hành hệ thống sẽ giúp nâng cao quán tính hệ thống. Đồng thời, các nguồn điện gió và điện mặt trời tuy có hằng số quán tính quay bằng 0 nhưng có thể có khả năng cung cấp quán tính “ảo” (synthetic inertia) từ việc bắt chước quá trình trao đổi năng lượng quay từ máy phát đồng bộ với hệ thống điện bằng cách sử dụng các khóa đóng cắt kỹ thuật số. Cùng nguyên lý như trên, các hệ thống lưu trữ năng lượng như BESS, Flywheel, siêu tụ…cũng có khả năng cung cấp quán tính “ảo” như các nguồn gió và mặt trời.

2.Đáp ứng tần số nhanh – Fast Frequency Response

Định nghĩa về đáp ứng tần số nhanh – Fast Frequency Response (FFR): đáp ứng tần số nhanh là sự đóng góp có kiểm soát của mo-men điện từ một thiết bị đáp ứng nhanh với những thay đổi về tần số để chống lại tác động của việc giảm quán tính [6].

Một số hệ thống tích trữ năng lượng như BESS, Flywheel, siêu tụ.v.v cũng có khả năng đáp ứng tần số nhanh và có thể dễ dàng điều chỉnh.

Một số hệ thống điện có tỉ trọng năng lượng tái tạo cao như Đức, Ireland yêu cầu bắt buộc các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) cần trang bị hệ thống để có khả năng cung cấp quán tính “ảo” (synthetic inertia) hoặc đáp ứng tần số nhanh (Fast Frequency Response). Tại Texas – Mỹ các nhà máy điện gió quy mô lớn bị bắt buộc phải trang bị đáp ứng tần số nhanh và phải cung cấp các dịch vụ này trong nhiều năm. Tuy nhiên, chi phí xây dựng các nguồn NLTT có các chức năng này sẽ tương đối cao. Đối với Việt Nam hiện nay chưa có quy định gì về vấn đề trên, thực tế cho thấy đại đa số các nhà máy điện gió và điện mặt trời hiện chưa có chức năng trên và không đóng góp vào các quá trình điều chỉnh tần số khi hệ thống gặp phải sự cố mất nguồn lớn.

Hình 7. Tác dụng của đáp ứng nhanh tần số lên đáp ứng tần số của hệ thống khi có sự cố [6]

3.Nâng cao nguồn dự phòng điều tần sơ cấp

Trên thực tế yêu cầu tối thiểu quán tính hệ thống và yêu cầu dự phòng điều tần sơ cấp có mối quan hệ với nhau, nếu có khả năng bố trí lượng điều tần sơ cấp đủ lớn và cung cấp trong thời gian ngắn thì có thể giảm yêu cầu tối thiểu quán tính hệ thống và ngược lại. Với cùng quy mô hệ thống và cùng sự cố, mối quan hệ giữa 2 đại lượng trên trong hệ thống điện như sau:

Hình 8. Đặc tính liên hệ giữa tổng công suất dự phòng điều tần sơ cấp và quán tính hệ thống điện Việt Nam [1]

Do vậy một cách để hệ thống có quán tính thấp vận hành an toàn ổn định là có càng nhiều công suất dự phòng điều tần sơ cấp. Hệ thống lúc này có thể sử dụng các hệ thống tích trữ năng lượng có tính linh hoạt cao (BESS, Flywheel, CAES…) hay huy động các tổ máy thủy điện (đặc biệt là thủy điện tích năng) chạy bù để tăng công suất dự phòng điều tần sơ cấp.

Khuyến nghị cho Việt Nam

Trong tương lai, khi tỷ trọng các nguồn NLTT trong hệ thống điện Việt Nam càng lớn, vấn đề về quán tính hệ thống điện cần được quan tâm hơn nữa để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn tin cậy, đặc biệt liên quan mật thiết đến vấn đề tần số hệ thống. Vì vậy, việc xây dựng các công cụ tính toán và đo lường, giám sát quán tính hệ thống điện là rất cần thiết cho hệ thống điện Việt Nam. Đồng thời, nghiên cứu việc trang bị thêm các nguồn dự phòng điều tần cấp 1, các hệ thống tích trữ năng lượng (Thủy điện tích năng, BESS, Flywheel…), trang bị đáp ứng nhanh tần số cho các nhà máy hay sử dụng một số giải pháp khác nhằm khắc phục các nhược điểm do sự suy giảm quán tính hệ thống điện cũng rất cấp thiết khi thực hiện tích hợp các nguồn NLTT nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu về ổn định cho hệ thống điện Việt Nam. 

Thực hiện: Hữu Phúc

Tài liệu tham khảo

[1] Sáng kiến: Tính toán quán tính Hệ thống điện Việt Nam và những kết quả bước đầu trong giám sát vận hành thời gian thực – EVN NLDC.

[2] Video: Understanding Inertia Without the Spin – NREL https://www.youtube.com/watch?v=b9JN7kj1tso&t=60s

[3] Inertia Estimation & Monitoring: Experience In Vietnam – EVN NLDC

[4] N. Nguyen and J. Mitra, "An analysis of the effects and dependency of wind power penetration on system frequency regulation," IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 7, no. 1, pp. 354-363, Jan. 2016.

[5] Johnson et al. (2019): Samuel C. Johnson, Dimitri J. Papageorgiou, Dharik S. Mallapragada, Thomas A. Deetjen, Joshua D. Rhodes, Michael E. Webber, "Evaluating rotational inertia as a grid component of grid reliability with high penetration of variable renewable energy" Elsevier, Energy 180 (258-271).

[6] Eriksson, Robert, Niklas Modig, and Katherine Elkington. "Synthetic inertia versus fast frequency response: a definition." IET Renewable Power Generation 12.5 (2018): 507-514.

[7] Frequency Response with Ultracapacitors – Skeleton - https://www.skeletontech.com/skeleton-blog/frequency-response-with-ultracapacitors