Tập bài giảng Vận hành và điều khiển hệ thống điện

điện và công suất đi qua bộ tụ U S Suy ra n≥ t = . . XC .10 −3 (5.11) U0 1,44.U0Uđm - Sau nhánh m phải thỏa mãn điều kiện dòng điện: mI0 ≥ I Q0 I0 = (5.12) U0 I S.U0 Suy ra: m = = (5.13) I0 1,44.Uđm.Q0 Trong đó: - I0: là dòng điện cho phép của tụ điện - X0: Điện kháng của tụ điện U20 X0 = .103 [Ω] (5.14) Q0 Qua hình 5.7 ta thấy nơi đặt tụ có ảnh hưởng đến phân bố điện áp trên đường dây. Nếu mạng chỉ có một phụ tải ở cuối đường dây thường đặt tụ ở ngay trạm biến áp phân phối. Khi mạng có nhiều phụ tải phân bố dọc đường dây thì cần phải cân nhắc để lựa chọn điểm đặt tụ cho phù hợp. Nói chung điểm đặt càng gần về phía nguồn càng cần ít tụ điện và mức điện áp càng ổn định. 5.2.2. Điều chỉnh tần số 1) Nguyên lý điều chỉnh Điều chỉnh tần số trong các hệ thống điện lực hiện đại là một trong những nhiệm vụ quan trọng của điều khiển hệ thống. Trong hệ thống cần phải giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số cho một nhà máy điện nhất định (làm việc ở phần đỉnh phụ tải). Trên hình 5.8 sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tần số máy phát điện, và hình 5.9 các đường đặc tính tần số của thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ của turbin (PF0) và đặc tính tần số của phụ tải tổng của hệ thống có xét đến tổn thất công suất trong mạng (PPT0). Giao điểm của hai đường đặc tính này xác định tần số làm việc của hệ thống f0. 176 Hình 5.8. Nguyên lý điều chỉnh tần số máy phát điện Hình 5.9. Đặc tính tần số của thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ của turbin Giả sử phụ tải tổng trong hệ thống tăng lên ta có đường đặc tính Ppt. Nếu không có thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ tức là công suất của máy phát điện không đổi (bằng P0) thì hệ thống sẽ chuyển sang làm việc tại điểm a và tần số sẽ giảm xuống trị số f1. Khi có điều chỉnh tốc độ tức là có điều chỉnh sơ cấp thì hệ thống sẽ làm việc tại điểm b và tần số giảm xuống trị số f0 > f2 > f1. Khi có thiết bị tự động điều chỉnh tần số tức là có điều chỉnh thứ cấp thì đường đặc tính tần số của máy phát sẽ dịch chuyển lên thành đường Pf và hệ thống sẽ làm việc tại điểm c ứng với nó ta có tần số f = f0. Do yêu cầu về tần số hết sức nghiêm ngặt, nên tham số này được giám sát chặt chẽ ngay tại các nhà máy điện. Nếu tần số bị lệch khỏi giá trị cho phép thì có thể làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc của hàng loạt thiết bị. Tần số giảm năng suất của các thiết bị tự dùng trong nhà máy điện đặc biệt nguy hiểm vì có thể dẫn đến sự ngừng trệ của toàn nhà máy. Nếu không có biện pháp kịp thời khôi phục thì có thể sẽ dẫn đến sự mất ổn định trong toàn hệ thống. Khi tần số bị giảm xuống giá trị 47,5 đến 48HZ trong thời gian quá 1phút thì có thể dẫn đến các tổ hợp lớn bị cắt bởi các thiết bị bảo vệ. Khi tần số công suất phản kháng của máy phát sẽ giảm do điện áp của hệ thống kích từ giảm, điều đó dẫn đến sự giảm điện áp trong hệ thống, giảm dự trữ ổn định. Bởi vậy nếu tần số giảm mạnh sẽ dẫn đến nguy cơ mất đồng bộ của hệ thống do ổn định tĩnh bị phá vỡ. Biện pháp chủ yếu để hồi phục tần số trong trường hợp này là sử dụng các cơ cấu tự động điều chỉnh tần số, tuy nhiên vận hành cần nhanh chóng thực hiện các nhiệm vụ sau: trước hết sử dụng toàn bộ lượng công suất dự trữ nóng, sau đó nếu lượng dự trữ này vẫn chưa đáp ứng thì cho vận hành các tổ máy phát đang ở trạng thái dự trữ lạnh. Điều độ quốc gia, người đã giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số trong hệ thống và các kỹ sư trực ban của các nhà máy điện, nơi có nhiệm vụ thực hiện điều chỉnh tần số 177 hệ thống cần phải thường xuyên theo dõi không chỉ giá trị của tần số và điều chỉnh nó trong giới hạn xác định, mà cả khoảng điều chỉnh ở các nhà máy điện này. Sự điều chỉnh tần số được thực hiện một cách tự động nhờ các cơ cấu điều chỉnh đặc biệt. 2) Quá trình điều chỉnh tần số Quá trình điều chỉnh tần số diễn ra trong ba giai đoạn: Điều chỉnh cấp I, cấp II, cấp III. a. Điều chỉnh cấp I Quá trình điều tần số cấp I (còn gọi là điều tốc) là quá trình biến đổi tức thời công suất phát khi phụ tải thay đổi nhờ các bộ phận điều chỉnh tốc độ của turbin trong hệ thống. Xét hệ thống tối giản gồm một turbin và một máy phát, đặc tính tĩnh của máy phát và phụ tải biểu thị trên hình 5.10. Hình 5.10. Quan hệ phụ thuộc giữa phụ tải và tần số Giao điểm 0 của đặc tính máy phát và phụ tải ứng với công suất ban đầu Ppt0 đó là điểm cân bằng công suất, xác định chế độ xác lập ở tần số định mức fn. Giả sử yêu cầu cần tăng thêm một lượng phụ tải P, lúc đó đặc tính tương ứng với đường 2, là Ppt+P. Phụ tải tăng làm cho tần số giảm với điểm cân bằng công suất mới ứng với f2, lúc đó bộ điều tốc hoạt động tăng công suất phát theo đặc tính điều chỉnh đường 1,. Điểm cân bằng công suất mới ứng với tần số f1 <fn. Sở dĩ tần số giảm hơn so với fn vì bộ điều tốc chỉ có thể tăng thêm một lượng PF<P. Để thích nghi, công suất thực dùng phải giảm đi một lượng Ppt. Như vậy quá trình điều chỉnh cấp I không cho phép phục hồi tần số ban đầu, nó chỉ làm cho tần số không giảm thấp hơn giá trị cho phép. Nếu không có điều chỉnh cấp I thì giá trị của tần số sẽ giảm đến f2. Khi có thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ, đường đặc tính tần số của điều chỉnh tốc độ PF(f) và đường đặc tính tĩnh của phụ tải PPT(f) có tốc độ được xác định như sau: 178 ∆PF ∆f KF = : (5.15) PFđm f đm ∆PPT ∆f KPT = : (5.16) PPT f đm Trong đó: - PFđm là công suất định mức tổng của các máy phát điện - PPTđm là tổng công suất phụ tải và tổn thất trong mạng Từ (5-15) và (5-16) ta rút ra được: ∆f ∆PF = −PFđm . K F (5.17) f đm ∆f ∆PPT = PPT . KPT (5.18) f đm Dấu trừ ở công thức (5-17) chỉ rằng khi tần số giảm (∆f < 0) thì công suất các máy phát điện tăng lên (∆PF > 0). Ngược lại ở công thức (5-18) khi tần số tăng (∆f > 0) thì công suất của phụ tải cũng tăng. Ta gọi ρ là hệ số dự trữ: PFđm ρ = (5.19) PPT Khi trong hệ thống có biến đổi về cân bằng công suất một lượng: ∆P =∆PF - ∆PPT (5.20) Làm cho tần số biến đổi một lượng là ∆f, xác định bởi phương trình sau: ∆P = ∆PF − ∆PPT (5.21) ∆f = − PPT .(ρkF + kPT ) f đm ∆f ∆P (5.22) Suy ra : = = Fđm PPT (ρkF + kPT ) 179 Từ công thức (5-22) ta thấy rằng khi độ dốc KF càng lớn nghĩa là đường đặc tính PZF(f) cáng dốc thì tần số càng ổn định. Độ dốc đặc tính của máy phát tương đối lớn KF =(15÷20) đối với máy phát turbin hơi và KF =(25÷50) đối với máy phát turbin nước. Khi công suất tổ máy không đổi tức là không có thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ, độ dốc của đặc tính (KF=0). Khi có nhiều tổ máy trong hệ thống thì cần phải xác định độ dốc trung bình KFTb cho tất cả các tổ máy. Đối với mỗi tổ máy ta có: ∆f ∆Pfi = − PFidmKfi (5.23) f dm Cộng lại sẽ có: ∆f n ∆PF = − .∑ PFidm .K Fi fdm i =1 ∆f n ∆PF = − . K Ftb ∑ PFdm Fdm i=1 Suy ra: n ∑ PFdm K Fi i=1 (5.24) K Ftb = n ∑ PFi i=1 Trong đó: PFđm K Fi : Công suất định mức và độ dốc của máy phát thứ i Nếu như ở một số tổ máy đã mở hết cửa môi năng vào rồi, thì có nghĩa là phụ tải của nó không thể tăng thêm được nữa, lúc đó hệ số kF của chúng sẽ bằng 0 (khi tần số giảm). Do đó nếu dự phòng công suất càng bé thì hệ thống càng ít khả năng tự động tăng công suất khi tần số giảm. Đại lượng KFTb còn phụ thuộc cả vào dấu của đại lượng thay đổi tần số, tức là vào dấu của lượng phụ tải P. Khi tần số giảm, tức là khi phụ tải của hệ thống tăng, kFtb thấp do đó nếu không có dự phòng công suất thì khi tần số giảm không thể tức khắc nâng ngay tần số lên được. 180 d. Điều chỉnh cấp II (thứ cấp) Điều chỉnh thứ cấp còn gọi là điều chỉnh cấp II, là quá trình tăng công suất máy phát điều tần để đưa tần số về trị số định mức. Tăng công suất máy phát bằng cách tăng thêm môi năng cho turbin. Trong các hệ thống nhỏ thường chỉ có một vài tổ máy làm nhiệm vụ điều tần cấp II, còn các máy khác có đặt tự động điều chỉnh tốc độ thì chỉ tham gia trong quá trình điều tần cấp I. Khi phụ tải tăng các máy này tạm thời tăng thêm công suất nhờ tự động điều chỉnh tốc độ. Sau khi quá trình điều tần bắt đầu, tần số tăng lên thì các máy này lại tự động giảm công suất phát. Toàn bộ công suất yêu cầu thêm sẽ chỉ do các nhà máy điều tần đảm nhận. Độ dốc của các tổ máy điều tần phải lớn hơn độ dốc của các tổ máy còn lại để trong quá trình điều chỉnh sơ cấp các tổ máy điều tần nhận nhiều phụ tải hơn. Các máy điều tần được trang bị bộ điều tốc á tĩnh. e. Điều chỉnh cấp III Mục đích của điều chỉnh cấp III là phân phối lại công suất theo điều kiện tối ưu. Khi xảy ra dao động công suất hệ thống điện phải làm hai nhiệm vụ là thay đổi công suất phát để duy trì tần số bình thường và phân bố lại công suất giữa các tổ máy theo điều kiện tối ưu. Quá trình phân bố công suất tối ưu có thể thực hiện chậm hơn, có thể sau 15÷20 phút, hoặc sau khi tổng công suất biến đổi được 2÷4%. Ví dụ 5.1: Giả sử trong hệ thống có 50% số tổ máy tải đầy tức phát hết công suất 25% số tổ máy nhiệt điện có dự trữ công suất 10% và có độ dốc KF =16,6.25% số tổ máy còn lại là thủy điện có dự trữ công suất 20% và có độ dốc KF =27. Độ dốc của đặc tính phụ tải lấy bằng 1,5. Hãy xác định khi phụ tải tăng lên bao nhiêu thì tần số giảm 1%. Bài giải Theo công thức (2-24) ta có: n ∑ PFdm K Fi i=1 K Ftb = n ∑ PFi i=1 181 0,5 x0 + 0,25 x16,6 + 0,25 x 27 KFtb = = 10,4 1 Theo công thức (5-19) ta có: PFđm ρ = PPT 1 + 0,5 x0 + 0,25 x0,1 + 0,25 x0,2 ρ = = 1,0751 1 Theo công thức (5-22) ta tính được biến đổi tần số hệ thống như sau: f P 1 P 1 = - x = - x Fđm Pft 1,075x10,4+1,5 Pft 12,68 Như vậy khi phụ tải tăng lên 12,68% thì tần số hệ thống sẽ giảm xuống 1%. f P 1 =- x Fđm Pft 1,5 Nghĩa là khi phụ tải tăng 1,5 thì tần số hệ thống sẽ giảm 1%. Lúc này biến đổi của tần số chỉ phụ thuộc vào độ dốc của đường đặc tính tĩnh của phụ tải. Ví dụ 5.2: Hệ thống điện có 5 tổ máy phát, trong đó 3 tổ máy có công suất PF=150MW với độ dốc kF= 16. Các tổ còn lại có PF=200MW với kF=17,2. Phụ tải của hệ thống là Ppt =650 MW với kpt=1,7. Khi phụ tải tăng, giá trị của tần số giảm đi 0,2% so với giá trị định mức. Hãy cho biết lượng tăng của phụ tải là bao nhiêu? các máy phát tham gia điều tần sẽ phát thêm công suất bao nhiêu? Bài giải Trước hết xác định hệ số dự phòng của hệ thống kdf = 31,1 650 200.2150.3    pt F P P Độ dốc trung bình kF.tb= 62,15 200.2150.3 2,17.200.216.150.3       F FF P kP 182 Giá trị tần số giảm so với định mức Hz ff f n 1,0 100 50.2,0 100 %.    Lượng phụ tải tăng MW f kkkP fP n pttbFdfpt 01,31 50 )7,194,16.3,1(650 15,0 ).( .      Sau khi điều chỉnh mỗi máy phát 150 sẽ phát thêm MWk f f PP F n FF 8,416 50 1,0 1501      Mỗi tổ máy 200 sẽ phát thêm MWPF 2,718 50 1,0 2002  Nhận xét: Đây là công suất tăng tạm thời do tần số giảm, khi tần số đã được điều chỉnh lên giá trị yêu cầu thì các tổ máy này lại phát công suất như cũ. Ví dụ 5.3: Hệ thống điện có tổng phụ tải là Ppt=1450MW với độ dốc kpt=1,5, đột nhiên phụ tải tăng thêm 75MW. Hãy tính độ lệch tần số khi: a. Không có điều tốc b. Có điều chỉnh tần số với kF=18 c. Như trường hợp b, nhưng chỉ có 70% công suất tham gia điều tốc. Biết công suất dự trữ nóng của hệ thống là 350 MW. Bài giải a. Độ lệch tần số khi không có điều tốc Hz kP Pf f ptpt n 724,1 5,1.1450 75.50    b. Khi có điều tốc Tổng công suất của hệ thống kể cả dự trữ PF= Ppt+Pdf =1450+350 =1800 MW Hệ số dự phòng kdf = 24,1 1450 1800  pt F P P Độ lệch tần số Hz kkkP Pf f ptFdfpt n 109,0 )5,118.24,1.(1450 75.50 )(       c. Khi chỉ có 70% công suất tham gia điều tốc: kF.tb= 0,7.kF= 0,7.18 =12,6 183 Độ lệch tần số: Hzf 151,0 )5,16,12.24,1.(1450 75.50    Ví dụ 5.4: Hệ thống điện gồm 6 tổ máy phát với các thông số cho trong bảng 5.1 Bảng 5.1 Máy phát PF, MW Số lượng kF I 200 2 16 II 150 2 19 III 100 2 18 Tổng phụ tải Ppt = 650 MW với kpt =1,5 Hỏi cần có thêm lượng dự phòng bao nhiêu để khi phụ tải tăng thêm 80MW tần số không lệch quá -0,2 Hz so với giá trị định mức. Bài giải Từ biểu thức ta có: )( ptFdfpt n kkkP Pf f    Ta rút ra: tbF pt Fpt n df k k kPf Pf K ...     Xác định độ dốc trung bình kF.tb= 44,17 100.2150.2200.2 18.100.219.150.216.200.2       F FF P kP Vậy hệ số dự phòng: 678,1 44,17 5,1 44,17.650.2,0 80.50 dfk Tổng công suất cần thiết của hệ thống là: P= kdf.Ppt=1,678.650 =1090,6 MW Vậy lượng dự phòng cần thêm là: Pdf= P - PF=1090,6-2(200+150+100) =190,6 MW 3) Yêu cầu về chất lượng điện Chất lượng điện có ảnh hưởng rất lớn chế độ làm việc của tất cả các thiết bị điện. cùng với sự phát triển của nền kinh tế, yêu cầu về chất lượng điện cung cấp cho các thiết bị này càng nghiêm ngặt, các yêu cầu này được thể hiện qua các chỉ tiêu: Độ lệch tần số, độ lệch điện áp, dao động điện áp, độ đối xứng và độ hình sin. 184 a. Độ lệch tần số: Theo tiêu chuẩn qui định, độ lệch tần số trong hệ thống điện không được vượt quá ±0,1Hz và ở chế độ tức thời không quá ±0,2Hz. Vì mức độ ảnh hưởng của tần số rất lớn và yêu cầu của nó rất nghiêm ngặt, việc tự động hóa điều chỉnh tần số được thực hiện ngay tại các nhà máy điện. b. Độ lệch điện áp: Là sự chênh lệch điện thực tế so với giá trị định mức, yêu cầu về độ lệch điện áp đối với các hộ dùng điện khác nhau là khác nhau, tiêu chuẩn của các nước khác nhau cũng khác nhau, ví dụ ở pháp quy định độ lệch điện áp cho phép ở lưới hạ áp không quá ±10%, còn lưới trung áp không quá ±7% Singapore là ±6% vv.. Tiêu chuẩn về độ lệch điện áp cho phép có thể tham khảo bảng 5.2. Bảng 5.2.Tiêu chuẩn độ lệch điện áp trong mạng điện TT Hộ dùng điện Giới hạn dưới Giới hạn trên 1 Chiếu sáng -2,5 +5 2 Động cơ dị bộ -10 +10 3 Thiết bị khác -5 +5 4 Thiết bị điện nông nghiệp -7,5 +7,5 c. Dao động điện áp: là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong thời gian tương đối ngắn, tốc độ không quá 1%s. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó. Sự dao động điện áp thường được gây ra bởi các thiết bị có hệ số cos thấp, và có sự thay đổi đột biến phụ tải phản kháng. Biên độ dao động điện áp trong trường hợp này có thể xác định theo biểu thức: Vk= %100. 1 Q Q k k  (5.25) Trong đó: kQ= BAS Q : tỷ lệ công suất phản kháng so với công suất định mức của máy biến áp. Q : phụ tải phản kháng thay đổi đột biến, MVAr SBA : Công suất định mức của máy biến áp cung cấp cho điểm tải xét, MVA Dễ ràng nhận thấy biên độ dao động càng lớn nếu giá trị của hệ số kQ càng lớn. Với cùng một phụ tải Q nếu công suất của máy biến áp lớn thì biên độ dao động điện áp sẽ giảm, tức là máy biến áp càng lớn thì độ ổn định điện áp trong mạng sẽ cao. d. Độ đối xứng: Là một trong các chỉ tiêu quan trọng của chất lượng điện, khi mạng điện bị mất đối xứng sẽ dẫn đến những tổn thất phụ do các thành phần dòng điện thứ 185 tự nghịch và thứ tự không gây nên. Thành phần thứ tự không chỉ có mặt trong mạng điện 3 pha với các máy biến áp có sơ đồ đấu /0 hoặc /0. Trong lưới điện với tổ nối của biến áp / hoặc /, thì khi mạng mất đối xứng sẽ không có thành phần thứ tự không mà chỉ có thành phần thứ tự nghịch. Như vậy độ không đối xứng được biểu thị bởi hai hệ số là: Hệ số phi đối xứng: kfđx = 1 2 U U (5.26) Hệ số không cân bằng: kkcb = 1 0 U U (5.27) Trong đó: U1, U2, U0 là các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không của điện áp Giá trị cho phép của kfđx và kkcb phụ thuộc vào độ đốt nóng các phần tử lưới điện, theo tiêu chuẩn qui định, các giá trị này không được vượt quá 5%. Trong kỹ thuật các hệ số trên được gọi chung là hệ số không đối xứng. Đối với mạng điện trung tính cách ly, điện áp tại điểm trung tính chỉ bằng 0 khi mạng điện hoàn toàn đối xứng. Sự mất đối xứng sẽ dẫn đến sự chuyển dịch trung tính với giá trị (5.28) Trong đó: Ua=Uf , Ub=a2Uf và Uc=aUf a=-0,5+j 2 3 ; a2 =-0,5-j 2 3 Trong đó: Uf: điện áp pha ga;gb;gc: điện dẫn của các pha đối với đất Độ không đối xứng của điện áp được xác định: kkđx= 100.0 fU U (5.29) Nếu trong hệ thống trung tính có mắc cuộn dây dập hồ quang thì ở mẫu số của biểu thức (5.28) có thêm thành phần điện dẫn gk của cuộn dây. Trong trường hợp này nếu xuất hiện sự cộng hưởng thì điện dẫn chỉ còn có thành phần tác dụng, do đó giá trị chuyển dịch trung tính sẽ khá cao. cba ccbbaa ggg gUgUgU U   0 186 Nếu sự chuyển dịch trung tính lớn sẽ dẫn đến sự tăng điện áp của các pha, làm tăng độ mất đối xứng và ảnh hưởng đến cách điện, ngoài ra nó còn có thể gây nhiễu cho các đường dây thông tin xung quanh. Theo quy định độ không đối xứng trong mạng điện này không được quá giá trị kkđx= 0,15.dUf.100 Trong đó: d là hệ số ổn định của mạng điều hòa, thường có giá trị bằng 0,05 Như vậy kkđx= 0,15.0,05.Uf.100 = 0,75%Uf. Nếu giá trị kkđx vượt quá giá trị này thì cần phải san bằng điện dung các pha bằng cách chuyển vị pha (thay đổi vị trí của các pha cứ sau một số khoảng vượt). Trong mạng điện có cuộn dập hồ quang nghiêm cấm việc bảo vệ máy biến áp bằng cầu chảy, vì khi một trong các cầu chảy bị cháy có thể dẫn đến sự quá điện áp nguy hiểm do sự điều hòa điện dung bị thay đổi. Điều đó có thể dẫn đến sự hủy hoại cách điện và làm giảm tuổi thọ của thiết bị. e. Độ hình sin: Trong thực tế sự biến đổi của dòng điện và điện áp xoay chiều không hoàn toàn tuân theo quy luật hình sin, vì luôn có sự hiện diện của các thành phần sóng hài bậc cao trong các đại lượng điện áp và dòng điện. Mức độ hình sin có thể đánh giá theo hệ số không sin kks= %100. 1 1 U UU  (5.30) U là điện áp hiệu dụng, có thể được xác định theo biểu thức  22 1 kUUU (5.31) Trong đó: U1: Điện áp của sóng hài cơ bản Uk: Điện áp của sóng hài bậc k Ví dụ 5.5: Một lò cảm ứng có phụ tải phản kháng Q = 680 kVAr, hãy so sánh độ dao động điện áp khi đóng cắt phụ tải trong hai trường hợp. a. Nếu lò điện được cung cấp từ máy biến áp công suất S = 4MVA b. Nếu lò điện được được cung cấp từ máy biến áp công suất S = 6,3 MVA Bài giải Xác định hệ số tỷ lệ công suất trong hai trường hợp kQ1= 17,0 4 68,0 1  BAS Q 187 kQ2= 108,0 3,6 68,0 2  BAS Q Biên độ dao động điện áp trong các trường hợp V1= %48,20%100. 17,01 17,0 1 1 1     Q Q k k V2= %1,12%100. 108,01 108,0 1 2 2     Q Q k k Nhận xét: Trong trường hợp lò điện được cung cấp từ máy biến áp công suất lớn độ ổn định điện áp cao hơn. 4) Các yêu cầu đối với sản xuất điêṇ năng Hệ thống điện lực bao gồm các nhà máy điện, đường dây tải điện, trạm biến áp và các hộ tiêu thụ điện kết hợp với nhau thành một hệ thống chung để sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ một cách liên tục và kinh tế nhất (hệ thống năng lượng, mang điện). Khác hẳn với những ngành công nghiệp khác, sản xuất điện năng có những đặc điểm chủ yếu sau: a. Đặc điểm quan trọng nhất: Là việc sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng bao giờ cũng tiến hành cùng một lúc. Nghĩa là ở mọi thời điểm phải có sự cân bằng chính xác giữa điện năng sản xuất ra và điện năng tiêu thụ cộng với tổn thất trên lưới truyền tải và phân phối. Nếu sự cân bằng trên không đảm bảo thì các chỉ tiêu chất lượng điện năng chủ yếu là tần số và điện áp trong hệ thống sẽ lệch ra khỏi phạm vi cho phép. b. Đặc điểm thứ hai: Là các quá trình quá độ trong hệ thống điện diễn ra rất nhanh cho nên phải sử dụng các kỹ thuật tự động để điều khiển các quá trình này chứ không thể thao tác bằng tay. c. Đặc điểm thứ ba: Là điện năng có liên quan chặt chẽ với tất cả các ngành kinh tế quốc dân và mọi hoạt động của con người. Cho nên đòi hỏi độ tin cung cấp điện phải rất cao vì mọi sự cố trong hệ thống dẫn đến thiếu hụt công suất sẽ ảnh hưởng đến nền kinh tế quốc dân. Do những đặc điểm trên nên đối với sản xuất điện năng có những yêu cầu cơ bản sau: 188 Phải đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ theo tính chất lượng từng hộ tiêu thụ cụ thể (loại I, loại II, loại III). Đảm bảo chất lượng điện năng cụ thể là điện áp tại các nút trong lưới và tần số chung của hệ thống không được lệch ra khỏi phạm vi cho phép. Đảm bảo giá thành sản xuất điện năng rẻ nhất (phụ thuộc vào khâu thiết kế và vận hành hệ thống điện). Để thực hiện tốt các yêu cầu trên người ta phải xây dựng những hệ thống điện lớn liên kết nhiều nhà máy và khu vực khác nhau, ngày nay người ta đã xây dựng được những hệ thống điện liên quốc gia. Các ưu điểm chính của việc xây dựng những hệ thống điện lớn là: + Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho phụ tải. + Sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng, thực hiện được việc phân phối tối ưu công suất giữa các nhà máy điện dẫn đến giảm giá thành điện năng. + Giảm tổng công suất dự trữ của hệ thống và có khả năng tăng công suất đơn vị các tổ máy, cho phép xây dựng các nhà máy điện công suất lớn nâng cao được hiệu quả kinh tế trong sản xuất điện năng. + Giảm trị số cực đại của đồ thị phụ tải tổng của hệ thống điện. Khi xây dựng các hệ thống điện lớn thì việc kiểm tra điều khiển các quá trình trong hệ thống rất phức tạp. Để thực hiện việc này phải xây dựng các trung tâm điều độ với các thiết bị thông tin hiện đại. Trung tâm điều độ có những nhiệm vụ chủ yếu sau: + Đảm bảo việc sản xuất và tiêu thụ điện năng với sản + Đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải, muốn vậy phải luôn luôn duy trì một lượng công suất dự trữ nhất định trong hệ thống. + Đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống không lệch ra khỏi các giá trị cho phép. + Đảm bảo tính kinh tế lớn nhất trong phạm vi toàn hệ thống, nghĩa là đảm bảo chi phí sản xuất điện năng bé nhất. 5) Đăc̣ tính tiñh của phu ̣tải Đặc tính tĩnh của phụ tải ở một nút nào đó là quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải đối với điện áp tại nút đó khi tần số cho biết hoặc đối với tần số khi điện áp cho biết. Sở dĩ gọi là đặc tính tĩnh vì phụ tải được xét ở chế độ 189 làm việc xác lập. Nếu phụ tải ở chế độ quá độ còn phải xét đến tốc độ biến đổi của các thông số và ta sẽ có những đường đặc tính động của phụ tải. Đặc tính động của phụ tải là quan hệ giữa công suất phụ tải đối với tần số, điện áp và các đạo hàm của chúng. Khi chế độ của hệ thống điện thay đổi thì trong phụ tải cũng xảy ra các quá trình quá độ. Các quá trình này thường không được xét riêng cho từng thiết bị dùng điện riêng biệt mà được xét chung cho từng nhóm lớn phụ tải cùng được cung cấp điện từ một nút phụ tải nào đó. Mỗi nút phụ tải như vậy là một phụ tải tổng hợp bao gồm nhiều loại phụ tải khác nhau như: động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ, máy bù đồng bộ, tụ điện, ánh sáng, lò điện.... Các thành phần trung bình của các loại thiết bị dùng điện trong một nút phụ tải tổng hợp 110KV tính theo phần trăm công suất như trong bảng 5.3 sau: Tên phụ tải Thành phần (%) - Động cơ không đồng bộ 48 - Động cơ đồng bộ 10 - Chiếu sáng 25 - Chỉnh lưu, lò điện và đốt nóng 10 - Tổn thất trong mạng điện Việc xây dựng đặc tính phụ tải tổng hợp rất khó khăn, cho nên người ta chỉ xây dựng các đường đặc tính gần đúng dựa vào các đặc tính của từng loại phụ tải và tỉ lệ tham gia của nó vào đồ thị phụ tải tổng. Trước khi tìm các đường đặc tính tĩnh của nút phụ tải tổng hợp, ta khảo sát các đường đặc tính tĩnh của các phụ tải thành phần. a. Phụ tải thắp sáng Công suất tác dụng tiêu thụ bởi các đèn nung nóng do điện trở tác dụng của đèn thay đổi theo nhiệt độ, do đó có quan hệ với điện áp theo biểu thức sau: 190 P = KU1,6 (5.32) Đối với đèn ống công suất phụ thuộc rất ít vào điện áp. b. Động cơ điện không đồng bộ Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ như trên hình 5.10, từ sơ đồ thay thế viết được các biểu thức cho công suất tác dụng và phản kháng: R2 U2 R2 = I22 = . S X2r + ( R2/s )2 s U2 Q = + I2 Xr = Qµ + Qs (5.33) Xµ 0 −  S = (5.34) 0 Hình 5.11. Sơ đồ thay thế Trong đó : S : là hệ số trượt của động cơ 0 : là tốc độ đồng bộ : là tốc độ thực của động cơ, khi momen của máy công tác là hằng số thì công suất tác dụng của động cơ không đồng bộ là hằng số. Qµ: Công suất từ hóa c. Động cơ điện đồng bộ và máy bù đồng bộ * Động cơ đồng bộ Đặc tính công suất tác dụng và phản kháng của động cơ đồng bộ có dạng: UE q U2 UEq P = . sin  ; Q = - . . cos  (5.35) Xd Xd Xd 191 * Máy bù đồng bộ Máy bù đồng bộ không tiêu thụ công suất tác dụng cho nên góc  = 0 do đó đặc tính công suất phản kháng có dạng: U2 UEq Q = - (5.36) Xd Xd d. Tụ điện tĩnh Tụ điện tĩnh là thiết bị bù phát công suất phản kháng. Đặc tính công suất phản kháng có dạng: U2 1 Q = ; Xc = (5.37) Xc C e. Đường đặc tính tĩnh của phụ tải tổng hợp Hình 5.12. Đặc tính cơ của động cơ điện Trong hệ thống điện phụ tải tổng hợp tại các nút phần lớn là động cơ, cho nên đặc tính của phụ tải tổng hợp có dạng gần giống đặc tính của động cơ và có dạng như trên hình 5.12. Công suất tác dụng của động cơ chủ yếu phụ thuộc vào công suất các máy, còn không phụ thuộc (động cơ đồng bộ) hoặc phụ thuộc rất ít (động cơ không đồng bộ ) vào điện áp. Cho nên đặc tính tĩnh của phụ tải tổng Ppt(U) (hình 5.12) có độ dốc tương đối bé vì thành phần chủ yếu của nó là động cơ. Với một trị số nhất định nào đó của điện áp, cho tần số f tăng lên, động cơ sẽ quay nhanh hơn ( =2f) nhưng vì momen quay của động cơ giả thiết không đổi nên ta có: PPT = M ≈  (5.38) Nghĩa là khi f tăng dẫn đến tăng và công suất phụ tải Ppt cũng tăng nên ta có chiều mũi tên chỉ f tăng theo hương Ppt tăng (như hình 5.12). Công suất phản kháng của phụ tải xác định chủ yếu bởi công suất từ hoá của động 192 cơ không đồng bộ và máy biến áp. Chúng ta biết công suất từ hoá bằng: U2 Qµ= (5.39) Xµ Do đó lúc điện áp giảm thì công suất từ hoá giảm tương đối nhanh nghĩa là đường đặc tính tĩnh Qpt (U) có độ dốc lớn hơn so với đường đặc tính tĩnh Ppt(U). Với một trị số nhất định của điện áp, cho tần số f tăng lên dòng điện từ hoá của động cơ không đồng bộ và máy biến áp sẽ giảm xuống vì điện kháng từ hoá Xµ sẽ tăng lên khi tần số tăng. Công suất từ hoá chiếm phần lớn trong tổng công suất của phụ tải nên khi tần số f tăng Qpt sẽ giảm, trên hình 5.12 chiều mũi tên chỉ f tăng hướng theo chiều giảm Qpt. 3) Điều chỉnh tần số trong trường hợp sự cố Khi một lý do nào đó tần số có thể bị giảm ngoài sự kiểm soát của hệ thống điều chỉnh, gây nguy hiểm cho hệ thống, một số trường hợp tần số bị lệch quá lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng như: Tần số nhỏ hơn 48,5HZ chỉ cho phép kéo dài không quá 1phút vì sự an toàn cho các cánh dài áp lực thấp của turbin. Tần số nhỏ hơn 47HZ chỉ được kéo dài không quá 20s để đảm bảo năng suất cho các thiết bị phụ như máy bơm nước, quạt gió vv.. Tần số không được phép giảm quá 45HZ vì ở tần số này có thể dẫn đến sự ngừng hoạt động của cả nhà máy điện, do các thiết bị phụ không thể đáp ứng được điều kiện làm việc bình thường. Để giữ tần số trong các trường hợp này cần phải sa thải phụ tải. Có 3 loại phụ tải cần sa thải là: Loại 1: Có tổng công suất cắt bằng công suất thiếu hụt cao nhất có thể cắt lần lượt từng đợt bắt đầu sa thải từ tần số 46,5 cho đến 49 HZ các đợt cách nhau 0,1HZ. Loại 2: Chỉnh định ở tần số 49,2 sau khi loại 1 cắt song. Công suất cắt của tải loại 2 thường bằng 40% loại 1. Loại 3: Sẽ tác động nếu loại 1 không thể ngăn cản được nguy cơ xảy ra sụt áp trong hệ thống. Phụ tải sa thải phụ thuộc vào mức độ thiệt hại kinh tế-xã hội. Sau khi sự cố được khắc phục phụ tải được đóng lại từng đợt cách nhau không nhỏ hơn 5s. Để đảm bảo an toàn cho các hoạt động tự dùng, có thể tách riêng tổ máy cho các phụ tải này. Việc sa thải phụ tải được thực hiện bởi cơ cấu tự động sa thải phụ tải theo tần số. 193 Nhiệm vụ của các cơ cấu này là ngăn chặn sự suy sụp tần số khi thiếu công suất phát. Một cơ cấu tự động điều chỉnh tần số tác động với độ trễ rất lớn vì vậy thời gian tác động của bộ tự động sa thải phụ tải cũng phải lớn hơn quán tính của cơ cấu sa thải phụ tải để loại trừ trường hợp phụ tải bị cắt trong trường hợp có dự phòng công suất. Để có thể nhanh chóng khôi phục lại chế độ cung cấp điện cho các hộ phụ tải bị cắt sau khi sự cố đã được khắc phục, trong hệ thống đã được lắp đặt các cơ cấu tự động đóng phụ tải sau sự cố. Đại lượng phụ tải được đóng lại không phải cố định mà thay đổi phụ thuộc các quá trình công nghệ, sơ đồ cung cấp điện của các xí nghiệp, bởi vậy không ít hơn một lần mỗi năm cần phải tiến hành kiểm tra, xác định phụ tải thực tế của tất cả các đường dây và trạm biến áp nằm trong phạm vi điều chỉnh. Sự có mặt hay không của các cơ cấu điều chỉnh tần số không ảnh hưởng đến nhiệm vụ và tính cấp bách của điều độ viên khi xảy ra sự cố, bởi vì trong thực tế luôn luôn tồn tại những sự cố không lường trước mà các cơ cấu tự động có thể không hoạt động theo chương trình đã định. Sự thiếu quyết đoán và chậm trễ của điều độ viên trong trường hợp này có thể dẫn đến những thiệt hại nghiêm trọng. 5.3. Hệ thống kích từ Bộ điều khiển kích từ máy phát - Bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR có các nhiệm vụ sau: • Điều chỉnh điện áp máy phát điện • Giới hạn tỷ số điện áp/tần số • Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện • Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây • Tạo độ suy giảm điện áp theo công suất vô công, đề cân bằng sự phân phối công suất vô công giữa các máy với nhau trong hệ thống khi máy vận hành nối lưới. • Khống chế dòng điện kháng do thiếu kích thích, nhằm tạo sự ổn định cho hệ thống, khi máy nối lưới. • Cường hành kích thích khi có sự cố trên lưới 5.3.1. Điều chỉnh điện áp của máy phát điện Bộ điều chỉnh điện thế tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện, và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham 194 chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, người ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu thường được đặt tại giá trị định mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated) hoặc là điện áp thanh cái, điện áp lưới tại chế độ vận hành hòa lưới (Paralled). 5.3.2. Giới hạn tỷ số điện áp - tần số Khi khởi động một tổ máy, lúc tốc độ quay của Rotor còn thấp, tần số phát ra sẽ thấp. Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăng dòng kích thích lên sao cho đủ điện áp đầu ra như tham chiếu theo giá trị đặt hoặc điện áp lưới. Điều này dẫn đến quá kích thích: cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp tự dùng... sẽ bị quá kích thích, bão hòa từ, và quá nhiệt. Thường tốc độ máy phát cần đạt đến 95% tốc độ định mức. Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp tham chiếu. 5.3.3. Điều khiển công suất vô công của máy phát điện Khi máy phát chưa phát điện vào lưới, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ thay đổi điện áp đầu cực máy phát. Quan hệ giữa điện áp máy phát đối với dòng điện kích từ được biểu diễn bằng 1 đường cong, gọi là đặc tuyến không tải. (đặc tuyếnV-A). Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào một lưới có công suất rất lớn so với máy phát, việc tăng giảm dòng kích thích hầu như không làm thay đổi điện áp lưới. Tác dụng của bộ điều áp khi đó không còn là điều khiển điện áp máy phát nữa, mà là điều khiển dòng công suất phản kháng (còn gọi là công suất vô công, công suất ảo) của máy phát. Khi dòng kích thích tăng, công suất vô công tăng. Khi dòng kích thích giảm, công suất vô công giảm. Dòng kích thích giảm đến một mức độ nào đó, công suất vô công của máy sẽ giảm xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại (chiều âm), nếu dòng kích thích tiếp tục giảm thêm. Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát quá nhạy, có thể dẫn đến sự thay đổi rất lớn công suất vô công của máy phát khi điện áp lưới dao động. Do đó, bộ điều khiển điện áp tự động, ngoài việc theo dõi và điều khiển điện áp, còn phải theo dõi và điều khiển dòng điện vô công. 195 Thực chất của việc điều khiển này là điều khiển dòng kích thích khi công suất vô công và điện áp lưới có sự thay đổi, sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất vô công phải là mối liên hệ hợp lý. 5.3.4. Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây Khi máy phát điện vận hành độc lập, hoặc nối vào lưới bằng 1 trở kháng lớn, Khi tăng tải, sẽ gây ra sụt áp trên đường dây. Sụt áp này làm cho điện áp tại hộ tiêu thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng. Muốn giảm bớt tác hại này của hệ thống, bộ điều áp phải dự đoán được khả năng sụt giảm của đường dây, và tạo ra điện áp bù trừ cho độ sụt giảm đó. Tác động bù này giúp cho điện áp tại một điểm nào đó, giữa máy phát và hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải. Điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm đôi chút so với tải, trong khi điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đôi chút so với tải. Để có được tác động này, người ta đưa thêm 1 tín hiệu dòng điện vào trong mạch đo lường. Dòng điện của 1 pha (thường là pha B) từ thứ cấp của biến dòng đo lường sẽ được chảy qua một mạch điện R và L, tạo ra các sụt áp tương ứng với sụt áp trên R và L của đường dây từ máy phát đến điểm mà ta muốn giữ ổn định điện áp. Điện áp này được cộng thêm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện áp đầu cực máy phát đã đo lường được. Bộ điều áp tự động sẽ căn cứ vào điện áp tổng hợp này mà điều chỉnh dòng kích từ, sao cho điện áp tổng hợp nói trên là không đổi. Nếu các cực tính của biến dòng đo lường và biến điện áp đo lường được nối sao cho chúng trừ bớt lẫn nhau, sẽ có: Ump – Imp (r + jx) = const Như vậy chiều đấu nối này làm cho điện áp máy phát sẽ tăng nhẹ khi tăng tải. Độ tăng tương đối được tính trên tỷ số giữa độ tăng phần trăm của điện áp máy phát khi dòng điện tăng từ 0 đến dòng định mức. Thí dụ khi dòng điện máy phát bằng 0, thì điện áp máy phát là 100%. Khi dòng điện máy phát bằng dòng định mức, điện áp máy phát là 104% điện áp định mức. Vậy độ tăng tương đối là +4%. Độ tăng này còn gọi là độ bù (compensation). Độ bù của bộ điều áp càng cao, thì điểm ổn định điện áp càng xa máy phát và càng gần tải hơn. Trong các nhà máy điện nói chung và nhà máy thuỷ điện nói riêng, vấn đề duy trì điện áp đầu cực máy phát ổn định (liên quan đến tần số phát) và bằng với giá trị điện áp định sẵn là rất quan trọng, hệ thống kích từ máy phát phải đảm bảo điều này 196 bằng cách thay đổi giá trị của bộ bù tổng trở khi máy phát vận hành hoặc cách ly với hệ thống và các máy cắt đường dây truyền tải đóng hoặc mở. Thành phần quan trọng nhất trong hệ thống là các cầu chỉnh lưu thyristor và bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR- Automatic Voltage Regulator). 5.3.5. Tính năng của hệ thống kích từ Mỗi tổ máy Tuabin - máy phát được cung cấp một hệ thống kích từ hoàn chỉnh kiểu điện tử kỹ thuật số, có thể được giám sát bởi hệ thống SCADA tại phòng điều khiển trung tâm, bao gồm cả bộ điều chỉnh điện áp tự động tốc độ cao. Đầu ra của bộ kích từ tĩnh phải được đấu nối đến vành góp của máy phát thông qua hộp đấu dây lắp đặt trên khung máy phát. Hệ thống kích từ được cấp nguồn từ hệ thống điện tự dùng tổ máy và máy biến áp kích từ. Kích từ ban đầu trong thời gian bắt đầu tự kích nguồn (mồi từ) được lấy từ một trạm ắc qui tự dùng 220VDC (hoặc 110VDC). Giá trị dòng điện và điện áp kích từ thường lớn hơn các giá trị định mức tối thiểu là 20% và l0%. Quá trình "mồi từ" kết thúc, máy phát tự kích từ khi điện áp đầu cực máy phát gần đạt đến giá trị định mức, quá trình thuờng diễn ra khoảng 2030 chu kỳ điện (0.51)s. Hệ thống kích từ cung cấp nguồn một chiều tạo từ trường cho máy phát đồng bộ để đạt được phạm vi công suất máy phát như đã quy định và ổn định điện áp máy phát để vận hành phù hợp trong hệ thống điện mà máy phát được nối vào. Trong trường hợp tần số máy phát gia tăng tới giá trị tương ứng với sự gia tăng tốc độ lớn nhất do máy phát mất phụ tải, hệ thống kích từ sẽ nhanh chóng phục hồi điện áp đến giá trị định mức và giữ ổn định. Hệ thống kích từ có khả năng thực hiện các chức năng chính xác trong khoảng thời gian có các nhiễu loạn quá độ, ví dụ như ngắn mạch trên hệ thống điện cao áp, thông thường thiết bị bảo vệ sẽ giải trừ sự cố trong 0,125s. Thêm vào đó, nó sẵn sàng gia tăng kích từ (chế độ cường hành) nếu được yêu cầu. Điện áp trần của hệ thống kích từ không nhỏ hơn 2 lần giá trị tương ứng với điện áp đầu cực máy phát định mức với công suất phát định mức và hệ số công suất 0,85 quá kích từ hoặc kém kích từ. Sự tắt dần của các dao động giữa máy phát và hệ thống điện có giá trị tích cực tại mọi thời điểm và dưới tất cả các điều kiện vận hành trong khả năng của máy phát. Hệ thống kích từ sẽ chi phối sự suy giảm dao động dưới các điều kiện như vậy và các 197 tín hiệu phản hồi là tín hiệu ổn định nhận được từ góc quay giữa rotor và máy phát hoặc là công suất máy phát phải được cung cấp cho hệ thống kích từ. Trong trường hợp có sự thay đổi nhanh công suất turbin do bộ điều tốc làm việc, sự biến đổi điện áp đầu cực máy phát nhờ tác động của các tín hiệu phản hồi được hạn chế để không vượt quá 2% khi máy phát được nối vào hệ thống điện. 5.3.6. Thành phần chính của hệ thống kích từ Thiết bị kích từ bao gồm máy biến áp kiểu khô, các bộ chỉnh lưu thyristor, bộ điều chỉnh tự động điện áp AVR, bộ phận diệt từ, thiết bị bảo vệ quá áp và tất cả trang thiết bị cần thiết cho việc điều khiển, bảo vệ hệ thống kích từ và máy phát trong các điều kiện vận hành bình thường và sự cố. Thiết bị kích từ ban đầu sẽ cung cấp dòng kích từ định mức thích hợp, đảm bảo chắc chắn và ổn định phát xung mở cơ cấu chỉnh lưu thyristor. Thiết bị cho phép kích hoạt các thiết bị kích thích từ các nguồn tạm thời bên ngoài với công suất dòng kích từ liên tục tới l,2 lần công suất định mức và có thể điều chỉnh liên tục với các bước điều chỉnh l0% đến 100% điện áp đầu cực máy phát, để kiểm soát sự bão hoà máy phát và thử nghiệm đặc tính trở kháng trong thời gian vận hành. Tất cả các tính năng điều khiển, bảo vệ và hoạt động của thiết bị tương thích với chế độ điều khiển từ xa từ phòng điều khiển nhà máy. Điều khiển từ xa được giới hạn trong một vài điều khiển, chẳng hạn chỉ với chức năng như "khởi động-dừng" và "tăng-giảm" thông qua bộ điều chỉnh tự động điện áp và điều khiển bằng tay biến trở tăng-giảm. Thiết bị kích từ được thiết kế để có đủ khả năng khởi động và vận hành ứng với công suất nguồn hạn chế và phải độc lập với nguồn tự dùng xoay chiều AC của nhà máy. 5.3.7. Bộ tự động điều chỉnh điện áp Mỗi hệ thống kích từ của máy phát được trang bị một bộ tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Bộ AVR được đấu nối với các biến điện áp một pha ll0V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng cắt máy phát. Bộ AVR đáp ứng được thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát và không phụ thuộc vào tần số. Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số, nhận tín hiệu đầu vào là điện áp 3-pha tại đầu cực máy phát, sử dụng nguyên lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức năng điều chỉnh hằng số hệ số công suất và hằng số dòng điện trường. 198 Một bộ cài đặt điện áp được sử dụng, thiết bị này thích hợp với việc vận hành bằng tay tại tủ điều chỉnh điện áp và tại tủ điều khiển tại chỗ tổ máy. Bộ cài đặt này có khả năng đặt dải điện áp đầu cực máy phát trong khoảng ±50% giá trị điện áp định mức. Tất cả các bộ cài đặt giá trị vận hành đều là kiểu điện tử kỹ thuật số. Bộ cài đặt giá trị điện áp vận hành bằng tay và bộ cài đặt giá trị điện áp mẫu phải tự động đặt về giá trị nhỏ nhất khi tổ máy dừng. Bộ AVR điều khiển tự động đóng hoặc mở mạch mồi kích từ ban đầu trong quá trình khởi động tổ máy. Chức năng bù điện kháng được thiết kế kèm theo các phương pháp điều chỉnh để có thể bù điện kháng trong khoảng lớn nhất là 20%. Chức năng bù dòng giữa các tổ máy được thiết kế để đảm bảo điện kháng được phân bổ ổn định giữa các máy phát. Có biện pháp ngăn ngừa quá kích từ máy phát trong quá trình khởi động và dừng bình thường của tổ máy. Bộ AVR cùng với trang thiết bị phụ được đặt trong tủ độc lập trên sàn máy phát, phù hợp với các tủ khác của hệ thống kích từ. Tất cả trang thiết bị cho vận hành và điều khiển được lắp trên mặt trước của tủ. Các mạch tổ hợp được thiết kế với độ tin cậy lớn nhất có thể và có kết cấu dự phòng phù hợp để sự cố ở một vài phần tử điều khiển sẽ không làm hệ thống kích từ gặp nguy hiểm hay không vận hành. Tất cả các bộ phận sẽ phù hợp với điều kiện làm việc liên tục và dài hạn dưới điều kiện nhiệt độ 00C7000C và độ ẩm tới 95%. Mỗi cầu nắn dòng thyristor được trang bị riêng một mạch điều khiển xung. Mạch điều khiển xung có khả năng vận hành tự động và không tự động. Các cổng tín hiệu vào và ra có thể bị ảnh hưởng do các nhiễu loạn trong mạch điều khiển, do đó được bảo vệ bằng các bộ lọc nhiễu hoặc bằng các rơle thích hợp. Độ tin cậy và chính xác của góc pha mạch điều khiển xung phải đảm bảo sao cho các bộ chỉnh lưu hoạt động trong toàn bộ phạm vi áp xoay chiều là 30%  150% giá trị định mức và tần số là 90%  145% giá trị định mức, thậm chí cả khi sóng điện áp bị méo (không là hình sin). Bộ AVR cơ bản gồm có một vòng lặp điều chỉnh áp bằng các tín hiệu tích phân tải để đạt được sự ổn định tạm thời và ổn định động. Đo lường điện áp máy phát được thực hiện trên cả ba pha. Độ chính xác của điện áp điều chỉnh nằm trong trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành từ không tải tới đầy tải. Một tín hiệu điều khiển từ bên ngoài được tác động vào bộ AVR để thay đổi liên tục giá trị điều chỉnh mẫu mà không cần bất cứ một bộ phận quay nào. Một mạch cản có thể được sử dụng để hạn chế độ dốc của tín hiệu bên ngoài, nếu cần thiết. Bộ AVR được cung cấp cùng với các bộ giới hạn giá trị kích từ min, max và có thể 199 điều chỉnh, bộ giới hạn cho phép tổ máy vận hành an toàn và ổn định, thậm chí tại các giá trị giới hạn trên và dưới kích từ. Bộ giới hạn hoạt động sẽ tác động điều chỉnh góc mở các thyristor. Nó có khả năng đưa đường cong vận hành của các bộ giới hạn càng gần với đường cong công suất của tổ máy. Do sự xuất hiện sụt áp tức thời hoặc do ngắn mạch ngoài, bộ giới hạn quá kích từ sẽ không phản ứng trong khoảng 1s để cho phép chính xác lại dòng kích từ cưỡng bức. Các giá trị đo lường thích hợp như đo tính trễ của mạng được lấy để đưa vào phục vụ chế độ vận hành dưới kích từ. Một mạch khoá giữ ổn định mạng (hoặc chống dao động) - switchable stabilizing network được trang bị để góp phần dập dao động của tổ máy bằng cách điều khiển thích hợp bộ kích từ. Tín hiệu ổn định được giới hạn sao cho nó không thể làm bộ kích từ thay đổi quá l0% giá trị bình thường trong bất cứ trường hợp nào. Tín hiệu ổn định sẽ tự động cắt khi dòng tác dụng nhỏ hơn giá trị đã xác định. Nó có khả năng xác định các giá trị từ 1030% giá trị dòng tác dụng bình thường và điều chỉnh tín hiệu đầu ra của khoá giữ ổn định mạng theo thực tế với các giá trị liên tục từ 0 tới giá trị lớn nhất của nó. Các thông số ổn định được dựa vào thành phần tích phân của biến đổi công suất tác dụng. Tín hiệu công suất đầu vào được lọc thích hợp để không sinh ra giá trị bù điện áp cố định. Bộ AVR được trang bị bộ điều khiển áp đường dây và mạch bù dòng tổ máy để phân bố tải giữa các máy phát. 5.3.8. Bộ điều khiển tự động bán dẫn hoặc kỹ thuật số Ngày nay, bộ điều khiển thường cấu tạo trên kỹ thuật số-vi xử lý. Màn hình cảm ứng (Touch-screen) được kết nối để có thể cài đặt tham số, thuật toán điều khiển và đo lường các giá trị tức thời. Một số bộ điều tốc cho các máy phát cỡ lớn (>15MW) bộ điều khiển có thể kết nối đến hệ thống giám sát SCADA trong nhà máy để giám sát các thông số tức thời, biểu đồ vận hành quá khứ (trent) hoặc các sự kiện bởi các giao thức và mạng thông tin phổ thông hoặc chuyên biệt của nhà sản xuất (Modbus, CAN bus,...). 5.3.9. Bộ điều chỉnh điện áp bằng tay Bộ điều chỉnh điện áp bằng tay có khả năng điều chỉnh góc mở thyristor bằng một mạch độc lập. Để chỉ báo sự khác nhau giữa điều khiển bằng tay và điều khiển tự động, sẽ trang bị một mạch cân bằng. 200 Trong trường hợp bộ điều chỉnh tự động gặp sự cố thì điều chỉnh bằng tay phải sẵn sàng để tổ máy tiếp tục vận hành. Một mạch chuyển tiếp phải được cung cấp để cho phép chuyển từ chế độ tự động sang chế độ bằng tay mà không có sự thay đổi nào cho bộ kích từ. Các thiết bị phục vụ điều khiển bằng tay được cung cấp cho mỗi hệ thống kích từ máy phát. Trang thiết bị khóa chế độ, chuyển mạch được thiết kế cho tủ kích từ tại các tủ điều khiển tổ máy tại chỗ và tại phòng điều khiển để có thể chọn lựa chế độ vận hành của hệ thống kích từ là tự động điều chỉnh điện áp (AVR) hoặc điều chỉnh bằng tay. Một bộ điều khiển chuyển tiếp cũng phải được thiết kế để chuyển tiếp điều khiển kích từ từ chế độ AVR sang chế độ điều chỉnh bằng tay trong trường hợp mất tín hiệu từ một vài thiết bị đo áp hoặc nguồn vận hành DC, AC của hệ thống AVR. Bộ phát hiện tín hiệu áp xoay chiều sẽ phân biệt được giữa sự cố của mạch áp thứ cấp (đứt mạch, mất pha..) hoặc sự sụt áp của mạch sơ cấp gây ra bởi các sự cố ngắn mạch. Trang thiết bị điều khiển bằng tay được thiết kế để liên tục và tự động đặt tại các vị trí tương ứng với các giá trị mà bộ AVR đạt được sao cho không có sự thay đổi về dòng kích từ nào xảy ra khi chuyển từ chế độ AVR sang điều khiển bằng tay hoặc do chọn chế độ vận hành hoặc do bộ điều khiển chuyển tiếp tác động.. 201 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 5.1. Khái niệm cơ bản, định nghĩa tự động điều khiển tổ hợp turbin – máy phát 5.2. Điều kiện điều chỉnh điện áp 5.3. Điều chỉnh điện áp trung tâm 5.4. Điều chỉnh điện áp ở các trạm biến áp 5.5. Các thiết bị điều chỉnh điện áp 5.6. Điều chỉnh điện áp ở nhà máy điện 5.7. Điều chỉnh điện áp bằng cách đặt thiết bị bù ngang, dọc 5.8. Nguyên lý điều chỉnh tần số 5.9. Quá trình điều chỉnh tần số 5.10. Điều chỉnh tần số trong trường hợp sự cố 5.11. Điều chỉnh điện áp của máy phát điện 5.12. Điều khiển công suất vô công của máy phát điện 5.13. Bộ trừ điện áp suy giảm trên đường dây 5.14. Tính năng và thành phần chính của hệ thống kích từ 5.15. Bộ tự động điều chỉnh điện áp 202 BÀI TẬP CHƯƠNG 5 Bài 5.1: Một lò cảm ứng có phụ tải phản kháng Q = 680 kVAr. Hãy so sánh độ dao động điện áp khi đóng cắt phụ tải trong hai trường hợp: a. Nếu lò điện được cung cấp từ máy biến áp công suất S = 4MVA b. Nếu lò điện được cung cấp từ máy biến áp công suất S = 6,3 MVA Bài 5.2: Hệ thống điện có 6 tổ máy phát, trong đó 3 tổ máy có công suất PF=200MW với độ dốc kF= 18. Các tổ còn lại có PF=300MW với kF=19,5. Phụ tải của hệ thống là Ppt = 860 MW với kpt=1,6. Hãy tính toán điều chỉnh sơ cấp sao cho tần số không vượt quá 0,25% so với giá trị định mức. Bài 5.3: Hệ thống điện có tổng phụ tải là Ppt=2450MW với độ dốc kpt=1,6, đột nhiên phụ tải tăng thêm 100MW. Hãy tính độ lệch tần số khi: a. Không có điều tốc b. Có điều chỉnh tần số với kF=19,5 c. Như trường hợp b, nhưng chỉ có 80% công suất tham gia điều tốc. Biết công suất dự trữ nóng của hệ thống là 670 MW. Bài 5.4: Hệ thống điện gồm 7 tổ máy phát với các thông số cho trong bảng sau: Tổng phụ tải Ppt =1250 MW với kpt =1,6 Hỏi cần có thêm lượng dự phòng bao nhiêu để khi phụ tải tăng thêm 120MW tần số không lệch quá -0,15 Hz so với giá trị định mức? Máy phát PF, MW Số lượng kF I 200 3 17,5 II 150 2 18,5 III 100 2 20 Bài 5.5: Một hệ thống điện có tổng phụ tải là Ppt=1250MW với độ dốc kpt=1,3, đột nhiên phụ tải tăng thêm 80MW. Hãy tính độ lệch tần số khi: a. Không có điều tốc b. Có điều chỉnh tần số với kF =17 c. Như trường hợp b, nhưng chỉ có 75% công suất tham gia điều tốc. Biết công suất dự trữ nóng của hệ thống là 560 MW. 203 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đỗ Ngọc Long. Tiết kiệm điện trong gia đình. Hà nội 1992 [2]. Trịnh Hùng Thám, Nguyễn Hữu Khái. Nhà máy điện và trạm biến áp. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Hà nội 1996 [3]. Nguyễn Công Hân, Nguyễn Quốc Trung, Đỗ Anh Tuấn. Nhà máy nhiệt điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Hà nội 2002 [4]. Nguyễn Xuân Phú, Hồ Xuân Thanh. Vật liệu kỹ thuật điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Hà nội 1998 [5]. Nguyễn văn Đạm. Mạng lưới điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Hà nội 1999 [6]. Trần Quang Khánh, hệ thống cung cấp điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà nội 2005 [7]. Quy trình vận hành, sửa chữa máy biến áp. Hà nội 1998 [8]. Trần Quang Khánh. Vận hành hệ thống điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà nội [9]. Trần Bách. Lưới điện và hệ thống điện, tập 1 và tập 2 Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà nội 2000 [10]. Quy trình kỹ thuật an toàn điện trong công tác quản lý, vận hành, sửa chữa, xây dựng đường dây và trạm biến áp. Nhà xuất bản giao thông vận tải Hà nội 2002. [11]. Phan Quang Khải. Kỹ thuật lắp đặt và vận hành trạm biến áp. Nhà xuất bản giáo dục [12]. Len I Wood. Power Generation, Operation and Control [13]. R.C. Dungan, McGaranaghan, H.W. Beaty. Electrical power systems quality. McGraw Hill 1996. [14]. Power system stability and control. McGraw Hill 1994. 204 PHỤ LỤC 205 206 207 208 209 210