Tần số lưới điện phải giữ quanh 50 Hz vì nó là thước đo trực tiếp của sự cân bằng giữa điện phát ra và điện tiêu thụ. Khi tiêu thụ nhiều hơn phát, các máy phát bị hãm lại và tần số tụt; khi phát nhiều hơn dùng, chúng quay nhanh lên và tần số vọt. Người điều độ không đo được "cung trừ cầu" trực tiếp trên cả nước, nhưng nhìn tần số là biết ngay lưới đang thừa hay thiếu, rồi dùng ba tầng điều chỉnh lồng nhau để kéo nó về.
Tần số là kim đồng hồ của cả lưới
Trong nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện hay điện khí, máy phát là một khối thép nặng hàng chục đến hàng trăm tấn quay đều. Với lưới 50 Hz, máy phát hai cực quay 3.000 vòng mỗi phút; máy phát thuỷ điện nhiều cực quay chậm hơn, nhưng số vòng của chúng đều được tính để cho ra cùng 50 chu kỳ mỗi giây. Mọi máy phát đồng bộ trên lưới quay khớp nhịp với nhau như những bánh răng ăn khớp, dù cách nhau hàng nghìn cây số.
Hãy hình dung một chiếc xe đi trên đường đèo. Nhà máy là động cơ, phụ tải là con dốc. Nếu dốc dựng lên (mọi người bật điều hoà lúc trưa) mà ga không tăng, xe chậm lại. Lưới điện cũng vậy: phụ tải tăng đột ngột thì năng lượng thiếu hụt được rút ra từ chính động năng quay của các máy phát, chúng chậm đi một chút, và tần số giảm. Chính vì thế tần số là tín hiệu chung mà mọi nhà máy trên lưới đều "nghe" được cùng một lúc, không cần ai gọi điện báo.
Ở Việt Nam, tần số định mức là 50 Hz. Quy định vận hành hệ thống truyền tải đặt dải dao động cho phép trong chế độ bình thường rất hẹp, cỡ vài phần mười héc quanh 50 Hz, và các ngưỡng rộng hơn cho tình huống sự cố. Trên thực tế, một lưới được điều khiển tốt thường giữ tần số trong vòng vài phần trăm héc suốt cả ngày.
Quán tính: vài giây đầu tiên quý như vàng
Khối thép quay ấy chứa một lượng động năng lớn. Khi một tổ máy 600 MW bất ngờ nhảy khỏi lưới, phần công suất thiếu hụt trong khoảnh khắc đầu tiên được bù bằng động năng của tất cả các máy phát còn lại. Không ai phải ra lệnh; đó là vật lý thuần tuý.
Quán tính càng lớn thì tần số tụt càng chậm. Người trong nghề đo điều này bằng tốc độ thay đổi tần số, viết tắt RoCoF (rate of change of frequency), tính bằng héc mỗi giây. Lưới lớn, nhiều máy phát quay, RoCoF nhỏ, các hệ thống tự động có đủ thời gian phản ứng. Lưới nhỏ hoặc lưới có ít máy quay, tần số có thể rơi rất nhanh.
Đây là lý do điện mặt trời và điện gió đặt ra câu hỏi mới. Tấm pin mặt trời không có khối thép quay nào. Tua-bin gió có quay, nhưng nối vào lưới qua bộ biến tần điện tử nên phần quán tính ấy bị "giấu" sau thiết bị điện tử. Khi các nguồn này chiếm tỷ trọng lớn vào buổi trưa, quán tính tổng của lưới giảm. Các nhà vận hành đang bù bằng nhiều cách: giữ một số tổ máy truyền thống chạy, lắp máy bù đồng bộ (synchronous condenser, một máy phát quay không cần nhiên liệu chỉ để cấp quán tính và điện áp), và yêu cầu biến tần thế hệ mới mô phỏng phản ứng quán tính.
Ba tầng điều chỉnh tần số
Sau vài giây đầu nhờ quán tính, ba lớp điều khiển lần lượt vào cuộc. Tên gọi mỗi nước một khác, nhưng cấu trúc gần như giống nhau trên toàn thế giới.
| Tầng | Ai làm | Thời gian tác động | Kết quả |
|---|---|---|---|
| Quán tính | Khối quay của mọi máy phát đồng bộ | Tức thời | Làm chậm tốc độ tụt tần số |
| Điều tần sơ cấp | Bộ điều tốc tại từng tổ máy | Vài giây đến khoảng nửa phút | Chặn tần số không rơi tiếp, giữ ở mức thấp hơn 50 Hz một chút |
| Điều tần thứ cấp | Hệ thống AGC từ trung tâm điều độ, hoặc tổ máy được chỉ định | Vài chục giây đến vài phút | Đưa tần số về đúng 50 Hz |
| Điều chỉnh cấp ba | Điều độ viên huy động lại nguồn | Từ khoảng mười phút trở lên | Giải phóng dự phòng đã dùng, sẵn sàng cho sự cố tiếp theo |
Điều tần sơ cấp và "độ dốc" của bộ điều tốc
Mỗi tổ máy có bộ điều tốc cảm nhận tốc độ quay. Tần số giảm thì nó tự mở thêm van hơi hoặc cánh hướng nước để tăng công suất. Bộ điều tốc được cài theo một "độ dốc" (droop), thường vài phần trăm: nghĩa là tần số lệch bao nhiêu thì tổ máy tăng giảm bao nhiêu phần công suất định mức. Nhờ cùng một quy tắc, hàng trăm tổ máy chia nhau gánh phần thiếu hụt theo tỷ lệ mà không cần nói chuyện với nhau.
Điểm tinh tế là điều tần sơ cấp không đưa tần số về đúng 50 Hz. Nó chỉ chặn cú rơi và giữ tần số ở một mức mới, hơi thấp. Đó là thiết kế cố ý: nếu tổ máy nào cũng cố đẩy về đúng 50 Hz, chúng sẽ giành giật nhau và dao động.
Điều tần thứ cấp: một nhạc trưởng duy nhất
Việc kéo tần số về đúng 50 Hz được giao cho một bộ điều khiển trung tâm, gọi là AGC (Automatic Generation Control). Cứ vài giây, AGC tính sai lệch rồi gửi tín hiệu tăng giảm cho một nhóm tổ máy được chọn, thường là thuỷ điện vì chúng thay đổi công suất nhanh và rẻ. Ở những lưới liên kết nhiều vùng, AGC còn tính cả công suất trao đổi giữa các vùng để mỗi vùng tự lo phần thiếu hụt của mình.
Một sự cố nhìn qua biểu đồ tần số
Nếu vẽ tần số theo thời gian khi một nhà máy lớn rớt, ta thấy một hình rất đặc trưng:
- Giây 0: tổ máy nhảy. Tần số bắt đầu rơi, độ dốc phụ thuộc vào quán tính.
- Vài giây sau: bộ điều tốc các tổ máy khác mở thêm. Tần số chạm đáy, điểm này gọi là nadir.
- Trong vòng khoảng nửa phút: tần số hồi lên một chút rồi đứng ở mức ổn định mới, thấp hơn 50 Hz.
- Vài phút sau: AGC hoặc điều độ viên huy động thêm nguồn, tần số trở về 50 Hz.
Toàn bộ việc thiết kế lưới xoay quanh câu hỏi: trong sự cố xấu nhất có thể xảy ra, điểm nadir có rơi xuống dưới ngưỡng tác động của rơ le sa thải phụ tải hay không. Nếu có, một phần khách hàng sẽ bị tự động cắt điện để cứu phần còn lại.
Đồng hồ chạy theo điện lưới
Một hệ quả vui của chuyện tần số là đồng hồ. Nhiều đồng hồ điện tử trên lò vi sóng, lò nướng, đồng hồ báo thức cắm điện đếm thời gian bằng cách đếm số chu kỳ của điện lưới. Nếu tần số thấp hơn 50 Hz kéo dài, đồng hồ chạy chậm.
Vì vậy một số lưới điện lớn có thêm việc "điều chỉnh giờ": sau một thời gian tần số hơi thấp, họ cố ý cho tần số cao hơn một chút để bù lại số chu kỳ đã thiếu. Đầu năm 2018, lưới châu Âu lục địa từng trải qua một đợt thiếu hụt công suất kéo dài nhiều tuần ở một vùng Balkan; tổ chức các nhà vận hành truyền tải châu Âu (ENTSO-E) cho biết các đồng hồ kiểu này đã chậm tới khoảng sáu phút, sau đó lưới được điều chỉnh để bù lại.
Đồng hồ điện thoại và máy tính không bị ảnh hưởng vì chúng lấy giờ qua mạng.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát nhịp lưới
Có vài cách để cảm nhận chuyện cân bằng này mà không cần đụng vào bất kỳ thiết bị điện nào:
- Nhiều nhà vận hành nước ngoài công bố tần số lưới theo thời gian thực trên trang web của họ. Nhìn kim tần số lắc nhẹ quanh 50 Hz vào giờ chuyển ca của các nhà máy hay lúc mọi người bật bếp buổi chiều là thấy rõ lưới đang "thở".
- Để ý đồng hồ trên lò vi sóng nhà mình: nếu nó lệch dần theo tháng trong khi đồng hồ điện thoại vẫn đúng, có thể nó đang đếm theo nhịp lưới, cũng có thể do mạch dao động thạch anh rẻ tiền.
- Đọc thêm về khái niệm máy phát đồng bộ trong sách vật lý phổ thông, phần cảm ứng điện từ. Đó là nền tảng của toàn bộ câu chuyện.
Điều cần nhớ: tần số không phải là thứ một người hay một nhà máy "chỉnh" được. Nó là kết quả chung của mọi máy phát và mọi phụ tải trên lưới, và việc giữ nó ổn định là công trình phối hợp lớn nhất mà ít ai nhìn thấy.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao tần số lưới điện giảm khi phụ tải tăng?
Khi phụ tải tăng nhanh hơn công suất phát, phần thiếu hụt được lấy từ động năng quay của các máy phát. Máy phát quay chậm lại một chút nên tần số giảm. Sau đó bộ điều tốc và hệ thống AGC tăng công suất để đưa tần số về 50 Hz.
Điều tần sơ cấp và thứ cấp khác nhau thế nào?
Điều tần sơ cấp do bộ điều tốc ở từng tổ máy tự thực hiện trong vài giây, chỉ chặn tần số rơi tiếp. Điều tần thứ cấp do trung tâm điều độ điều khiển qua AGC trong vài phút, đưa tần số về đúng 50 Hz.
Quán tính lưới điện là gì?
Quán tính là động năng chứa trong các khối quay của máy phát đồng bộ nối trên lưới. Nó làm tần số thay đổi chậm lại khi có mất cân bằng, cho các hệ thống điều khiển có thời gian phản ứng. Lưới càng ít máy phát quay thì quán tính càng thấp.
Điện mặt trời có làm lưới điện kém ổn định không?
Điện mặt trời nối lưới qua biến tần nên không tự cấp quán tính như máy phát quay. Khi chiếm tỷ trọng lớn, lưới cần bù bằng máy bù đồng bộ, pin lưu trữ phản ứng nhanh hoặc biến tần có chức năng hỗ trợ tần số. Đây là bài toán kỹ thuật đang được giải, không phải giới hạn cố định.
Tần số lưới điện Việt Nam là bao nhiêu?
Lưới điện Việt Nam dùng tần số định mức 50 Hz, giống phần lớn châu Á, châu Âu và châu Phi. Trong vận hành bình thường tần số được giữ trong một dải rất hẹp quanh 50 Hz theo quy định của ngành điện.
