CSDL Ngành điện

Cân bằng giữa phát điện và tiêu thụ điện: LFC trong nhà máy điện

05/10/2025 21:49 Số lượt xem: 15

Sự cân bằng giữa phát điện và tiêu thụ điện đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện bằng cách triển khai các cơ chế kiểm soát phụ tải và tần số trong các nhà máy điện để duy trì tần số. Tần số của hệ thống tỷ lệ thuận với phát điện và phụ tải điện. Nếu phát điện nhiều hơn phụ tải, tần số tăng; nếu phát điện ít hơn phụ tải, tần số giảm.

Sự cân bằng giữa phát điện và tiêu thụ điện đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện (Ảnh st)

Khi chúng ta nói về kiểm soát phụ tải và tần số (LFC) trong các nhà máy thủy điện, lợi ích chính là phản ứng nhanh của các tổ máy phát điện đối với những thay đổi về nhu cầu phụ tải. Khi bổ sung thêm nhiều nhà máy hơn, tầm quan trọng của LFC cũng như các hệ thống bảo vệ, kiểm soát, và tự dùng của các nhà máy có thể bị bỏ qua.

Kiểm soát phụ tải và tần số là gì?

Nhiều nhà máy điện lớn có các thiết bị kiểm soát phụ tải và tần số tự động điều chỉnh mức tốc độ của các bộ điều tốc để duy trì tần số hệ thống và đảm bảo phụ tải mong muốn của tất cả các tổ máy. Sự ổn định của hệ thống thường được cải thiện khi tất cả các tổ máy phát điện có các bộ điều tốc tự động tốt lấy đi một phần nào đó của bất kỳ các thay đổi phụ tải nhanh, dẫn đến thay đổi phụ tải tối thiểu cho bất kỳ máy nào trong các điều kiện gây ra sự thay đổi lớn về tần số. Các vấn đề kiểm soát phụ tải và tần số tương đối đơn giản trong một hệ thống có một hoặc hai máy phát điện. Tuy nhiên, chúng phức tạp hơn trong các hệ thống kết nối lớn với nhiều máy phân tán trên một khu vực rộng hơn.

Trong các hệ thống lớn hơn, một điều độ viên phụ tải trung tâm sẽ phân bổ các phụ tải cho nhiều nhà máy điện khác nhau theo một lịch trình xác định trước, đôi khi chuyển đổi theo thời gian. Kiểm soát tần số thường chuyển đổi đến một trong những nhà máy điện lớn nhất. Các hệ thống kiểm soát phụ tải và tần số hoặc các hệ thống đường dây liên kết cho các nhà máy thủy điện thực hiện các chức năng tương đối đơn giản.

Trong hệ thống điện, đường dây liên kết là một đường dây truyền tải kết nối hai hoặc nhiều nhà máy điện hơn, cho phép truyền phụ tải điện giữa chúng. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều tiết hệ thống điện, kết nối các lưới điện hoặc khu vực khác nhau để chúng hoạt động cùng nhau như một mạng lưới lớn. Với sự trợ giúp của đường dây liên kết, có thể trao đổi điện giữa các khu vực khác nhau, điều này có lợi trong thời gian phụ tải đỉnh khi một khu vực có sản lượng điện quá mức trong khi khu vực khác lại thiếu hụt.

Hình 1. Hệ thống đường dây liên kết. (Ảnh st)

Bộ điều tốc: Phần tử kiểm soát chính

Bộ điều tốc tuabin vẫn là phần tử kiểm soát chính. Hiện tại, nó rất nhạy và hiệu quả trong việc thực hiện nhiệm vụ của nó là mở và đóng các cửa tuabin để giữ cho đầu vào tuabin phù hợp với phụ tải của máy phát điện.

Ở đây cần nêu rõ rằng đối với các ứng dụng ban đầu, chỉ riêng bộ điều tốc đã đủ để thực hiện công việc điều chỉnh. Tuy nhiên, khi các hệ thống điện phát triển từ một tổ máy duy nhất kết nối với một phụ tải thành các tổ máy phát điện kết nối, thì cần nhiều thông tin hơn để thực hiện công việc điều chỉnh một cách thỏa đáng. Hơn nữa, các yêu cầu đối với điều chỉnh trở nên nghiêm ngặt hơn. Thiết bị kiểm soát phụ tải và tần số đã được phát triển để giúp bộ điều tốc thực hiện các nhiệm vụ điều chỉnh. LFC thu thập thông tin bổ sung và chuyển đến bộ điều tốc. Vì bộ điều tốc chỉ phản ứng với tốc độ, nên rõ ràng là nó hoàn thành chức năng của nó là khởi tạo các chuyển động điều chỉnh của các cổng wicket bất cứ khi nào tốc độ sai lệch khỏi giá trị danh định.

Các bộ điều tốc đầu tiên cho động cơ sơ cấp đã cố gắng duy trì tốc độ trung bình không đổi. Đây được gọi là đặc tính tốc độ phẳng và thể hiện bằng đồ họa trong Hình 2.

Hình 2. Đặc tính tốc độ phẳng của các bộ điều tốc sớm nhất. (Ảnh st)

Các loại kiểm soát phụ tải và tần số

Khi hệ thống điện rất lớn, đôi khi nó được chia thành các khu vực phụ tải, với một điều độ viên phụ tải cho mỗi khu vực, và một điều độ viên phụ tải trung tâm. Các loại kiểm soát phụ tải và tần số như sau:

Kiểm soát tần số phẳng. Kiểm soát tần số phẳng điều chỉnh đầu ra của máy phát điện để duy trì tần số không đổi, nghĩa là giữ cho sản lượng điện luôn bằng với phụ tải.

Kiểm soát phụ tải nền. Kiểm soát phụ tải nền giúp duy trì đầu ra của trạm không đổi bất kể tần số hoặc phụ tải liên kết thay đổi.

Kiểm soát tần số có chọn lọc. Kiểm soát tần số có chọn lọc sử dụng khi mỗi khu vực trong một hệ thống kết nối mong muốn điều chỉnh các dao động phụ tải trong khu vực của mình. Cần phải có một trạm kiểm soát tần số chính trong hệ thống; trạm trong các khu vực cụ thể này giúp điều chỉnh tần số khi nguồn thay đổi tần số nằm trong khu vực của chúng.

Nếu tần số thấp và phụ tải đường dây liên kết chỉ ra phụ tải khu vực vượt quá sản lượng, trạm kiểm soát sẽ hoạt động để tăng sản lượng máy phát điện. Nếu tần số thấp và đường dây liên kết cho thấy sản lượng trong khu vực này bằng hoặc lớn hơn phụ tải, bộ điều khiển sẽ không hoạt động để thay đổi sản lượng máy phát điện.

Kiểm soát phụ tải đường dây liên kết phẳng. Kiểm soát phụ tải đường dây liên kết phẳng sẽ điều chỉnh đầu ra của máy phát điện để duy trì truyền phụ tải điện theo lịch trình nhất định qua đường dây liên kết bất kể tần số.

Thuật ngữ đường dây liên kết chỉ áp dụng cho đường dây truyền tải kết nối hai nhà máy điện hoặc hai hệ thống chứa các nhà máy điện, như trong Hình 3. Trong hệ thống này, sai lệch phụ tải giữa hai nhà máy điện có thể điều chỉnh theo bất kỳ tỷ lệ nào trong phạm vi công suất của chúng, giống như sai lệch phụ tải giữa hai tổ máy của một nhà máy có thể điều chỉnh bằng cách giảm tốc độ và kiểm soát mức tốc độ.

Hình 3. Hệ thống cơ bản với đường liên kết. (Ảnh st)

Kiểm soát độ lệch phụ tải đường dây liên kết. Kiểm soát độ lệch phụ tải đường dây liên kết dùng để duy trì đầu ra của trạm không đổi bất kể thay đổi tần số hoặc thay đổi phụ tải đường dây liên kết.

Hình 4. Một hệ thống cơ bản với điều khiển đường dây liên kết. (Ảnh st).

Nhược điểm của việc thay đổi tần số

Nếu hệ thống này không được trang bị tốt với một cơ chế LFC phù hợp, hệ thống sẽ có nguy cơ gặp phải nhiều vấn đề.

1. Nếu không có LFC thích hợp, tần số danh định (50/60Hz) có thể sai lệch khỏi giới hạn bình thường. Tần số quá cao và dưới mức có thể làm mất ổn định hệ thống điện, dẫn đến gián đoạn nguồn điện như sự cố liên hoàn và mất điện hoàn toàn.

2. Trong các mạch điện xoay chiều, tần số và điện áp có mối quan hệ mật thiết với nhau, tần số không ổn định sẽ gây ra sự dao động điện áp, có thể làm hư hại các thiết bị điện và nguồn điện.

3. Nếu không quản lý hợp lý phụ tải và sản lượng điện và tần số không ổn định, nhà máy sẽ hoạt động không hiệu quả, dẫn đến chi phí vận hành cao và doanh thu giảm do mất điện.

4. Tất cả các máy phát điện xoay chiều trong hệ thống đều được đồng bộ hóa (ở tần số 50/60Hz) và LFC kém có thể dẫn đến việc máy phát điện bị ngắt.

Nền tảng của sự ổn định

LFC là nền tảng của sự ổn định hệ thống điện, đảm bảo sự cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ điện. Khi các hệ thống điện mở rộng, đặc biệt là với sự tích hợp năng lượng tái tạo, các cơ chế LFC như sơ cấp và thứ cấp (còn gọi là kiểm soát phát điện tự động) giúp duy trì tần số hệ thống trong giới hạn cho phép (50/60Hz).

Việc không có LFC có thể dẫn đến các sai lệch tần số, mất ổn định điện áp, hoạt động không hiệu quả, mất điện và tổn thất kinh tế. Do đó, cần phải liên tục đổi mới và phát triển các quy trình vận hành tiêu chuẩn (SOP) và thực hành tốt nhất trong vận hành nhà máy điện để duy trì sự ổn định liên tục.