Hệ thống điều khiển kích từ máy phát nhà máy thủy điện hòa bình

Giới thiệu chung về hệ thống sản xuất điện năng

Các loại nhà máy điện

Sử dụng nhiệt năng thoát ra khi đốt các nhiên liệu hữu cơ (than, dầu khí, ) thành điện năng Hiện nay trên thế giới khoảng 70% điện năng đ

… ợc sản xuất ra từ các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam hiện nay nhà máy nhiệt điện

Các nhà máy nhiệt điện lớn nhất tại Việt Nam bao gồm Phả Lại 1 và 2 với tổng công suất 1040MW Trong tương lai, sẽ có kế hoạch mở rộng nhà máy Phú Mỹ 1 và 2 với tổng công suất 1000MW, cùng với việc xây dựng thêm một số nhà máy nhiệt điện khí trong khu vực Bên cạnh đó, nhiều nhà máy nhiệt điện nhỏ cũng đang được xây dựng, với các nhà máy lớn ở Hà Tĩnh, Quảng Ninh, Hải Phòng có công suất mỗi nhà máy lên tới 1200MW Tuy nhiên, việc sản xuất điện từ các nhà máy nhiệt điện hiện nay đang gặp khó khăn do giá nhiên liệu cao và gây ô nhiễm môi trường do khí thải Thêm vào đó, các nguồn năng lượng như than, dầu và hơi đốt cũng có nhược điểm là không tự phục hồi được.

Quy trình sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện thể hiện trong hình vẽ díi ®©y

Hình 2: Sơ đồ khí chức năng quá trình sản xuất điện ở nhà máy nhiệt điện

1 Lò hơi 6 Bình khử khí

2 Bộ quá nhiệt 7 Bơm nớc cấp

Hơi sinh ra từ lò hơi là hơi bão hòa, sau đó được dẫn qua quá trình biến thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt này được dẫn vào tuabin dãn nở, làm quay tuabin kết nối với roto máy phát đồng bộ qua khớp nối Khi roto quay, điện được sinh ra tại cực máy phát Sau khi qua tuabin, hơi được dẫn vào bình ngưng tụ, sau đó qua bình khử khí và được bơm nước cấp trở lại lò hơi.

Nh vậy ở đây nớc chỉ là môi chất trung gian, còn năng lợng biến đổi chính là năng lợng than ở đầu vào để biến thành điện năng ở đầu ra

1.1.1.2 Nhà máy điện nguyên tử

Nhà máy điện nguyên tử đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, sử dụng năng lượng phân rã hạt nhân để sản xuất điện Tính đến năm 2000, thế giới có 432 phản ứng hạt nhân với tổng công suất 362 triệu kW, chiếm khoảng 17% sản lượng điện toàn cầu Năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng hiệu quả, với kích thước nhà máy nhỏ gọn, không gây ô nhiễm không khí và nguyên liệu rẻ Tuy nhiên, chi phí xây dựng nhà máy điện hạt nhân rất cao do hệ thống an toàn phức tạp và chi phí đào tạo nhân công lớn.

Quy trình sản xuất điện ở nhà máy điện nguyên tử gần giống với nhà máy nhiệt điện, có hình dạng nh hình 3:

Hình 3: Sơ đồ khối chức năng quá trình sản xuất điện ở nhà máy điện nguyên tử

Lò hơi của nhà máy nhiệt điện được thay thế bằng nhà lò, bao gồm phản ứng hạt nhân và bình sinh hơi Tuabin của nhà máy điện nguyên tử thường hoạt động ở vùng bão hòa, do đó không cần bộ quá nhiệt.

Nhà máy thủy điện là loại hình nhà máy sản xuất điện từ thế năng của dòng nước, đóng góp khoảng 15% năng lượng điện toàn cầu Nguồn năng lượng này không gây ô nhiễm, không tốn chi phí mua sắm và có khả năng tự phục hồi Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho việc xây dựng đập cao là lớn, nhưng chi phí vận hành thấp giúp giá thành điện năng trở nên cạnh tranh Ngoài việc sản xuất điện, thủy điện còn có vai trò quan trọng trong thủy lợi và kiểm soát lũ lụt Tuy nhiên, việc phát triển thêm thủy điện đang gặp khó khăn do nhiều nguồn nước trên thế giới đã được khai thác hết Tại Việt Nam, với nhiều sông suối, việc phát triển thủy điện rất thuận lợi, trong đó nhà máy lớn nhất là Hòa Bình với công suất 1920MW, tiếp theo là Yaly với 700MW Hiện nay, các dự án lớn như Sơn La, Sông Gâm, Bản Mai đang được xây dựng, và các nhà máy vừa và nhỏ cũng được khuyến khích phát triển ở miền Bắc và miền Trung.

Quy trình sản xuất điện năng tại nhà máy thủy điện đơn giản hơn so với nhà máy nhiệt điện và điện nguyên tử, vì nó không tuân theo chu trình kín như hai loại nhà máy này Nước sau khi đi qua tuabin sẽ được trả lại tự nhiên.

Ngoài ba loại nhà máy điện chính, còn tồn tại nhiều loại nhà máy điện khác như nhà máy phong điện với công suất vài megawatt, nhà máy điện mặt trời, và nhà máy điện sử dụng năng lượng thuỷ triều có công suất hàng trăm megawatt Bên cạnh đó, nhà máy điện địa nhiệt cũng đang được phát triển, và hiện tại, các dự án xây dựng nhà máy điện nhiệt lạnh dựa trên công nghệ tổng hợp hạt nhân đang trong quá trình chuẩn bị.

Máy phát điện đồng bộ

Định nghĩa

Máy phát điện đồng bộ ba pha là máy có tốc độ quay của rôto bằng tốc độ của từ trờng quay stato n = n1 60.f

- n là tốc độ quay của rôto

- f là tần số có đơn vị là Hz

- n1 là tốc độ quay của từ trờng

Khi tuabin quay sẽ kéo rôto của máy phát quay theo và cảm ứng của đầu cực máy phát điện xoay chiều một sức điện động là:

Kdq: là hệ số dây quấn;

W : Số vòng dây của một cuộn dây pha

dm: từ thông cực đạ dới một cực của cực từ

Cấu tạo và nguyên lý cơ bản

Phần tĩnh là ba cuộn dây ba pha AX, BY, CZ đặt lệch nhau trong không gian 120 độ

 Phần quay: là nam châm điện một chiều có một hoặc một số đôi cực kích thích bằng dòng một chiều

Hình 1.1 Cấu tạo của máy điện đồng bộ b Nguyên lý

Máy phát điện (G) đợc quay bởi tuabin (T)

T cung cấp cơ năng máy phát điện G thể hiện bằng mômen cơ MCO G nhận MCO và biến thành mômen điện Mđiện

Hình 1.2: Tổ hợp máy phát tuabin

Máy phát điện có vận tốc n = ndb = const, tổng mômen tác dụng lên trục máy phát là:

MCO + Mđiện = 0 Hay MCO = - Mđiện

Dấu trừ ở đây thể hiện sự ngợc chiều của hai mômen MCO và Mđiện nghĩa là Mđiện mang tính hãm

Trong đó P là công suất điện

Máy phát điện đặc trưng cho mômen điện hãm, nghĩa là khi hoạt động bình thường, máy phát điện cung cấp năng lượng hữu ích Do đó, công suất phát ra được coi là những số dương.

Khi mạch cuộn dây AX, BY, CZ được khép lại qua tải đối xứng ZA = ZB = ZC, dòng điện IA, IB, IC trong các cuộn dây này sẽ lệch pha nhau 120 độ về thời gian Sự lệch pha này xuất phát từ việc các cuộn dây AX, BY, CZ được bố trí cách nhau 120 độ trong không gian, dẫn đến việc dòng điện IA, IB, IC tạo ra một từ trường quay với vận tốc góc  = điện.

Tốc độ rôto R bằng với tốc độ đồng bộ đb dẫn đến việc tạo ra từ trường ở stato mà không có sự quét của rôto Kết quả là trong stato không có dòng cảm ứng, chỉ tồn tại dòng kích thích một chiều.

Trong chế độ làm việc bình thờng máy phát điện làm việc đối xứng, tức là dòng lệch pha nhau 120 0 với các môđun IA, IB, IC

Nếu lấy IA làm gốc thì ta có hệ dòng đối xứng nh sau:

Tơng tự nh vậy ta cũng có một hệ áp đối xứng khi lấy uA làm gốc

1.2.3 Kết cấu và đặc điểm a Máy phát điện cực ẩn

Máy phát điện cực ẩn quay nhanh có đặc điểm là ndb lớn, giúp kích thước máy gọn nhẹ và tiết kiệm nguyên liệu trên mỗi đơn vị công suất Do tốc độ quay cao, lực ly tâm tác động lớn lên rôto, vì vậy cần gia công rôto bằng rèn liền khối để đảm bảo độ bền Đường kính rôto thường nhỏ hơn 1,1 đến 1,5m để giảm quán tính, trong khi chiều dài tối đa của rôto có thể đạt tới 6,5m nhằm tăng công suất máy phát.

Các máy phát điện cực ẩn đợc chế tạo với số cực zp = 2 nên tốc độ sẽ là: n 60.f

Hình 1.4: Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto

Dây dẫn kích từ trong rãnh rôto được làm từ dây đồng trần với tiết diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây cuốn được cách điện bằng lớp mica mỏng và được cố định chắc chắn bằng các ống trụ thép phi từ điện Hai đầu dây quấn kích từ đi qua trục và kết nối với hai vành trợt qua chổi điện, nhận dòng kích từ một chiều Dòng điện kích từ này thường được sử dụng để tạo ra từ trường cần thiết cho hoạt động của thiết bị.

Vang Yang Thor Tou được cung cấp bởi máy phát điện một chiều hoặc xoay chiều đã được chỉnh lưu, có thể có hoặc không có vành trợt, kết nối khung trục với máy phát điện.

Stato của máy phát điện ba pha cực ẩn được cấu tạo từ lõi thép, trong đó có dây quấn ba pha, và được bao bọc bởi thân và vỏ máy Lõi thép được ghép từ các tấm tôn silic dày 0,5 mm, có chiều dài khoảng 3 cm đến 6 cm, với một rãnh thông gió ngang trục rộng 10 mm Lõi thép này được cố định trong thân máy, và các máy phát điện có công suất trung bình và lớn thường sử dụng cấu trúc cực ẩn, đặc biệt là trong các nhà máy nhiệt điện, nhờ vào ưu điểm là thiết kế nhỏ gọn và chắc chắn, phù hợp với tốc độ cao.

Máy cực lồi được thiết kế cho máy phát điện với tốc độ quay thấp, có tỷ lệ chiều dài và đường kính rôto trong khoảng L/D = 0,15 – 0,2 Rôto của máy phát điện công suất nhỏ và trung bình sử dụng lõi thép đúc và gia công thành hình trụ, với cực từ được đặt trên bề mặt Đối với máy phát điện lớn, lõi thép được chế tạo từ các tấm thép dày 1 – 6mm, dập hoặc đúc định hình và ghép thành các khối lăng trụ Cực từ trên lõi thép rôto được ghép từ những thanh thép có độ dày 1 – 1,5mm.

Dây quấn kích từ được sản xuất từ dây đồng trần có tiết diện chữ nhật, được quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn Giữa các vòng dây, cách điện được thực hiện bằng các lớp mica hoặc amiang Sau quá trình gia công, các cuộn dây sẽ được lồng vào các thân cực.

Dây quấn cản của máy phát điện được lắp đặt trên các đầu cực, có cấu trúc dạng lồng sóc của máy phát điện không đồng bộ Cấu tạo này bao gồm các thanh đồng được đặt vào rãnh của các đầu cực, với hai đầu nối vào hai vành ngắn mạch.

Hình 1.6: Cực từ của máy đồng bộ cực lồi

1 Lá tiếp cực từ; 2 Dây quấn kích thích

3 đuổi hình T; 4 nêm; 5 Lõi thép rôto

Stato của máy phát điện (MFĐ) cực lồi có cấu tạo nh ở MFĐ cực ẩn, yêu cầu thiết kế chặt chẽ cho cả kết cấu điện và cơ học Hệ thống làm mát được thiết kế phù hợp với từng loại MFĐ để đảm bảo vận hành ổn định trong môi trường làm việc Đối với MFĐ công suất nhỏ, làm mát bằng gió, các khoang không gió được thiết kế giữa vỏ máy và lõi thép stato, trong khi đầu trục gắn quạt gió để thổi không khí qua các khoang thông gió Vỏ máy còn được chế tạo với các sống gân hoặc cánh tỏa nhiệt nhằm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Các MFĐ lớn hơn, từ vài chục kW trở lên, thường được làm mát bằng nước hoặc khí Đối với MFĐ công suất lớn với đường kính roto lên tới 1m, lá tôn được chia thành nhiều mảnh gọi là sec măng để dập và ghép lại.

Sec măng ép ở hai đầu

Sec măng chính để tạo thành lõi sắt dẫn từ

Sec măng thông gió để tạo thành các rãnh thông gió

Trục của máy phát điện (MFĐ) có thể được lắp đặt theo hai cách: nằm ngang cho các máy công suất nhỏ và thẳng đứng cho các máy tuabin nước công suất lớn với tốc độ chậm.

Khảo sát thiết kế hệ thống điều khiển kích từ máy phát nhà máy thủy điện Hòa Bình

Nhiệm vụ tự động hóa và điều chỉnh hệ thống điện

1 Đặc điểm của việc điều khiển hệ thống điện

Các hệ thống điện hiện đại có các đặc điểm nổi bật như tính rộng lớn về lãnh thổ, cấu trúc phức tạp và đa mục tiêu Chúng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ sự bất định thông tin, với quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng diễn ra trong thời gian thực Sự thay đổi chế độ hoạt động của bất kỳ phần tử nào trong hệ thống đều có thể tác động đến các phần tử khác.

Các phần tử trong hệ thống lớn này có mối liên hệ chặt chẽ về cấu trúc, năng lượng và thông tin Cấu trúc của hệ thống con bao gồm nhiều đối tượng và phần tử, tạo thành một mạng lưới tương tác phức tạp.

Hệ thống điện hoạt động theo quy luật xác định, với mỗi thời điểm ở một trạng thái cụ thể và số lượng lớn các phần tử, dẫn đến nhiều trạng thái có thể phân biệt Để điều khiển hiệu quả, người ta chia tách hệ thống lớn thành các hệ thống con linh hoạt theo lãnh thổ, cấp điện áp hoặc nhiệm vụ điều khiển như công suất và điện áp Việc điều khiển chế độ làm việc bình thường và xử lý sự cố được thực hiện qua mạng lưới điều độ Các đơn vị điều độ được phân cấp (quốc gia, khu vực, địa phương) và liên hệ qua hệ thống thông tin điện lực, nơi mỗi cấp xử lý dữ liệu và sắp xếp thông tin cho cấp trên Tín hiệu điều khiển được truyền xuống cấp dưới theo chiều ngược với thông tin dữ liệu, và trong một số trường hợp, có thể truyền đồng thời đến nhiều đối tượng thực hiện khác nhau.

Hệ thống điện đang phát triển mạnh mẽ, dẫn đến sự phức tạp ngày càng tăng trong cấu trúc của hệ thống điều khiển Đồng thời, khối lượng thông tin cần xử lý cũng ngày càng lớn.

Khi một giai đoạn phát triển đạt đến mức độ nhất định, sẽ xuất hiện những khó khăn cần giải quyết Điều này không chỉ đòi hỏi việc áp dụng nhiều công nghệ kỹ thuật mới mà còn cần đến các phương pháp điều khiển và phần mềm ứng dụng hiện đại.

2 Nhiệm vụ điều khiển hệ thống điện Điều khiển hoạt động của hệ thống điện bao gồm những nhiệm vụ chÝnh sau ®©y:

1 Bảo vệ các thiết bị cao áp quan trọng

2 Điều khiển và liên động các khí cụ đóng cắt

3 Định vị sự cố và ghi chép các thông số quá độ

4 Hiển thị các thông số, trạng thái vận hành và cảnh báo

5 Kiểm tra đồng bộ và hòa đồng bộ

6 Tự động đóng lại và tự động khôi phục chế độ làm việc bình thờng

7 Cắt tải và điều khiển phụ tải

8 Tự động điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng

9 Tự động điều chỉnh tần số và công suất tác dụng

10 Thu thập và xử lý dữ liệu, đa ra các tác động điều khiển

Trong các hệ thống điện hiện đại, nhiệm vụ từ 1 đến 3 được thực hiện bởi hệ thống thiết bị bảo vệ, trong khi các nhiệm vụ từ 4 trở đi được thực hiện thông qua một tập hợp nhiều thiết bị khác nhau trong một hệ thống điều khiển hoặc quản lý, phù hợp với từng đối tượng cụ thể của hệ thống điện.

Tùy theo yêu cầu điều khiển và đối tợng đợc điều khiển ngời ta có thể sử dụng những hợp bộ (hệ thống) thiết bị điều khiển sau đây:

- Hệ thống điều khiển nhà máy điện (Plant Control System - PCS)

- Hệ thống điều khiển trạm (Substation Control System - SCS)

- Hệ thống điều khiển phụ tải (Load Management System - LMS)

- Hệ thống thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu (Super Visory Control and Data Acquisition System - SCADA)

PCS ĐK nhà máy điệnPCS ĐK trạm PCS ĐK trạm PCS ĐK phụ tải §

Phát điện Truyền tải Phân phối Phụ tải a Z b BC Z

Hình 1.1 Điều khiển hệ thống điện

- Hệ thống điều khiển quá trình năng lợng (Energy Management System - EMS)

- Hệ thống điều khiển phân phối (Distribution Management System - DMS)

- Hệ thống quản lý sản xuất kinh doanh (Business Management System

Các trờng hợp điều khiển này có thể đợc sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp trong một hệ thống điều khiển thống nhất (hình 1.1)

Việc kết hợp này không chỉ nâng cao độ tin cậy, độ sẵn sàng và khả dụng của hệ thống điều khiển mà còn giảm kích thước và diện tích chiếm chỗ của thiết bị điều khiển.

3 Yêu cầu đối với quá trình điều chỉnh trong hệ thống điện

Hệ thống điện được chia thành hai nhóm thiết bị chính: nhóm máy điều chỉnh tốc độ quay của tuabin và nhóm máy điều chỉnh điện áp.

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển

Sơ đồ cấu trúc của máy điều chỉnh trình bay cho thấy sự tác động của nhiễu Z, do thay đổi chế độ làm việc của đối tượng điều chỉnh, như tải của máy điện Sự thay đổi của Z ảnh hưởng đến thông số X, ví dụ như điện áp trên đầu cực máy phát điện, nhưng không làm thay đổi thông số Z được khống chế bởi bộ phận đo lường ĐL Bộ phận này không đo trực tiếp trị số nhiễu, nhưng phản ánh qua giá trị x, được so sánh với trị số đặt Xd Nếu có độ lệch giữa giá trị đặt và thực tế, tín hiệu điều khiển sẽ xuất hiện ở đầu ra bộ phận đo lường, tác động lên bộ phận thừa hành để điều chỉnh đại lượng cần thiết, bù lại tác động của nhiễu Việc kiểm tra độ lệch của x được thực hiện qua mạch phân phối.

Trong một số trường hợp, trị số của nhiễu Z có thể được sử dụng trực tiếp làm tác động điều khiển, hoặc kết hợp với độ lệch tín hiệu để tạo ra hiệu quả điều khiển cao hơn Sơ đồ điều khiển dựa trên nhiễu thường sử dụng khâu biến đổi chức năng (BCN) để chuyển đổi nhiễu thành tín hiệu điều khiển cho đối tượng điều chỉnh Phương pháp kết hợp giữa trị số nhiễu và độ lệch tín hiệu thường mang lại độ chính xác cao và phản ứng nhanh chóng Hệ thống điều khiển có thể bao gồm các khâu thụ động, không có nguồn, nơi tín hiệu đầu ra là hàm biến đổi của tín hiệu đầu vào, hoặc các khâu chủ động, sử dụng nguồn năng lượng phụ để khuếch đại tín hiệu.

Hệ số khuếch đại K được xác định bằng tỉ lệ giữa giá trị tín hiệu đầu ra U2 và tín hiệu đầu vào U1, phản ánh mức độ khuếch đại của hệ thống.

Tín hiệu trong hệ thống điều khiển có thể gặp phải hiện tượng trễ, nguyên nhân chủ yếu là do ảnh hưởng của các phần tử điện cảm và điện dung Những yếu tố này đặc trưng cho sự truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống.

Vang Yang Thor Tou ảnh hưởng đến khối lượng và quán tính của đối tượng, dẫn đến sự phân bố năng lượng trong hệ thống diễn ra phức tạp Quá trình quá độ trong điều khiển có thể gặp khó khăn, như tình trạng mất ổn định Đặc tính thời gian của thiết bị điều chỉnh tự động có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình toán tử, giúp hình dung diễn biến của quá trình quá độ theo thời gian Ví dụ, khi áp dụng điện áp U1 vào mạch RC nối tiếp, ta có phương trình mô tả quá trình này.

 dt  Trong đó U2 là điện áp trên cực của tụ điện ở dạng toán tử, điện áp U đợc thay bằng U(p) và phơng trình trên có thể đa về dạng:

Trong đó T = RC - hằng số thời gian của mạch

Quan hệ giữa đại lợng đầu ra và đầu vào của một khâu đợc biểu diễn ở dạng toán tử đợc gọi là hàm truyền đạt của khâu.

Các khâu thờng gặp trong hệ thống tự động điều khiển, sơ đồ thay thế và phơng trình cũng nh đặc tính của chúng trình bày trong bảng 1.1.

Máy điều chỉnh tự động thường bao gồm nhiều khâu chức năng, trong đó hàm truyền đạt tổng thể phản ánh đặc tính chung của tất cả các khâu Khi các khâu được kết nối theo dạng nối tiếp, đầu ra của khâu trước sẽ trở thành đầu vào cho khâu tiếp theo.

Quy tắc biến đổi sơ đồ cấu trúc được trình bày trong bảng 1.2, trong đó G và D đại diện cho các toán tử của các khâu tương ứng trong máy tự động điều chỉnh Ví dụ, một sơ đồ cấu trúc với ba khâu bậc nhất nối tiếp nhau tương ứng với hệ phương trình.

 Hàm truyền đạt của mạch hở:

Yêu cầu điều chỉnh điện áp máy phát

Máy điện đồng bộ hoạt động với tốc độ quay roto không đổi, khi giữ từ trường kích thích ổn định, từ trường cảm ứng qua dây quấn phần ứng cũng không thay đổi Nếu máy phát điện chạy ở chế độ phụ tải ổn định, điện áp tại cực máy phát sẽ không thay đổi Tuy nhiên, do máy phát phải làm việc với các chế độ phụ tải khác nhau tại các thời điểm khác nhau, năng lượng tiêu thụ bởi tải cũng biến động theo thời gian trong ngày và năm, dẫn đến điện áp tại cực máy phát bị dao động Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện áp sản xuất Trong một số trường hợp, mặc dù tải có vẻ ổn định, nhưng điều kiện vận hành có thể yêu cầu thay đổi chế độ làm việc của máy phát điện Do đó, việc ổn định điện áp phát ra của máy phát là rất quan trọng, quyết định chất lượng điện năng.

Điện áp phát ra từ máy phát điện đồng bộ có thể điều chỉnh, điều này đồng nghĩa với việc điều chỉnh công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q.

Trong hệ thống điện lực, có hai trường hợp điển hình liên quan đến sự hoạt động của máy phát điện Trường hợp thứ nhất là khi máy phát điện làm việc trong một hệ thống có công suất rất lớn, với điện áp (U) và tần số (f) được giữ cố định; trong trường hợp này, tổng công suất của các máy phát điện hoạt động song song không làm thay đổi U và f của toàn hệ thống Trường hợp thứ hai xảy ra khi chỉ có hai hoặc vài máy phát điện có công suất tương tự hoạt động song song, và sự thay đổi chế độ làm việc của một máy sẽ ảnh hưởng đến U và f chung của các máy phát điện còn lại Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều chỉnh công suất tác dụng trong hệ thống điện.

Khi máy phát điện hoạt động trong hệ thống công suất lớn với điện áp U và tần số f không đổi, nếu dòng điện kích từ được giữ ổn định, suất điện động E của máy phát sẽ giữ giá trị hằng số theo biểu thức đã cho.

Thì P là một hàm của góc , trong đó công suất tác dụng P cần phải cân bằng với công suất cơ trên trục máy phát khi ở chế độ làm việc xác lập.

Nh vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P thì phải thay đổi góc  tức là thay đổi công suất cơ trên máy phát.

Công suất tác dụng cực đại Pm của máy phát đặt đợc θ θ

  ứng với góc m đợc xác định bởi: cosm 2 2

Máy phát điện đồng bộ chỉ làm việc ổn định khi 0 <  < m Thật vậy, giả sử dụng phát đang làm việc ở điểm A ứng với 1 < m Nếu một nguyên

Khi công suất cơ P tăng lên trong thời gian ngắn và sau đó trở về giá trị ban đầu, rotor của máy phát sẽ quay nhanh hơn, dẫn đến việc góc θ tăng và công suất P cũng tăng theo Tuy nhiên, khi P cơ trở về giá trị ban đầu, mối quan hệ P > P cơ sẽ làm giảm tốc độ rotor, đưa nó trở lại góc θ ban đầu sau vài chu kỳ dao động Ngược lại, nếu máy phát hoạt động ở góc θ2 > θm, sự thay đổi công suất cơ sẽ ảnh hưởng khác đến hoạt động của máy phát.

P máy phát sẽ giảm P < P cơ làm roto càng quay nhanh hơn và máy phát sẽ mất đồng bộ với lới điện.

Để đảm bảo sự đồng bộ trong quá trình vận hành, máy phát điện thường hoạt động với công suất định mức Pđm khi có nguy cơ giảm U hoặc E, cũng như các nguyên nhân khác có thể làm giảm công suất P Điều này thường được duy trì khi góc pha  nhỏ hơn 30 độ.

Khi hai máy phát có công suất tương tự hoạt động trong hệ thống, việc thay đổi công suất tác dụng sẽ ảnh hưởng đến điện áp và tần số của lưới điện Để duy trì điện áp ổn định, khi công suất tác dụng của một máy tăng lên, công suất tác dụng của máy còn lại cần phải giảm tương ứng Bên cạnh đó, việc điều chỉnh công suất phản kháng Q cũng rất quan trọng trong việc ổn định lưới điện.

- Với lới điện vô cùng lớn (U,f = const)

Nh vậy khi giữ U, P, f không đổi và muốn thay đổi Q ta chỉ việc thay đổi E0 bằng các thay đổi dòng điện kích từ máy phát.

Khi tăng dòng kích thích của một máy trong lưới điện công suất nhỏ, công suất phản kháng của máy đó sẽ tăng, dẫn đến sự thay đổi điện áp U trong lưới điện, ảnh hưởng đến trạng thái làm việc của hộ tiêu dùng Để duy trì điện áp U ở mức ổn định, cần giảm dòng kích thích của các máy khác khi tăng dòng kích thích của một máy.

Một số sơ đồ điều khiển kích từ điển hình

Các máy phát đồng bộ trên roto được thiết kế với rãnh để đặt dây quấn, tạo ra mặt cực từ khi có dòng điện chạy qua Mặt cực từ này được gọi là từ trường kích thích, trong khi dây quấn roto được gọi là dây quấn kích thích Để cung cấp dòng điện cho dây quấn kích thích, cần có hệ thống nguồn cung cấp gọi là hệ thống kích từ Việc điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình vận hành được thực hiện bởi thiết bị tự động điều chỉnh kích từ Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc điều chỉnh tự động có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng điều chỉnh điện áp và tính ổn định của hệ thống.

Hệ thống kích từ có chức năng chính là cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích thích của máy phát, đồng thời tự động điều chỉnh dòng kích từ để duy trì ổn định điện áp máy phát.

Một số yêu cầu đối với hệ thống kích thích máy phát

- Điều chỉnh đợc dòng kích từ

R ) để duy trì điện áp máy phát khi làm việc bình thờng (bằng cách điều chỉnh điện áp kích từ)

Cường độ kích thích cần được tăng cường để duy trì sự đồng bộ của máy phát khi điện áp lưới giảm Để đạt được điều này, hệ thống kích thích phải có khả năng gia tăng dòng điện gấp đôi trong vòng vài chục chu kỳ, tức khoảng 0,5 giây.

Hình 2.1 Cỡng bức kích thích máy động cơ

Triệt từ kích thích là quá trình giảm nhanh dòng kích thích If đến mức không, đặc biệt trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch nội bộ ở dây quấn stator Điều này đảm bảo rằng điện áp trên điện trở xã năng lượng cuộn dây kích thích không vượt quá năm lần điện áp kích từ định mức Utdm, nhằm bảo vệ cách điện của dây quấn kích thích.

Từ đó ta có sơ đồ khối hệ thống kích thích nh sau:

Có bốn hệ thống kích thích cơ bản cho máy phát đồng bộ là

 Hệ thống kích thích dùng máy phát một chiều

 Hệ thống kích thích dùng nguồn xoay chiều kết hợp với chỉnh lu

 Hệ thống kích thích dùng nguồn chỉnh lu có ĐK

 Hệ thống kích thích dùng dùng chỉnh lu không điều khiển kết hợp biến áp a Hệ thống kích thích dùng máy phát một chiều

Nguồn cấp kích từ lấy từ đầu ra của MFĐ một chiều

Hình 2.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát kích thích một chiều

Máy phát điện một chiều, hay còn gọi là máy phát điện kích thích, thực hiện nhiệm vụ kích thích với khả năng kích thích độc lập hoặc song song Cuộn dây kích thích của máy có thể được chia thành nhiều cuộn dây hoạt động đồng thời.

C1: cuộn chính chịu tác động điều chỉnh bằng tay

C2: làm việc thông qua tác động của bộ tự động điều khiển trong chế độ làm việc bình thờng.

C3 chỉ hoạt động trong chế độ kích thích cường hành và có nhược điểm là chỉ phù hợp cho máy phát công suất nhỏ do hiện tượng phát sinh tia lửa ở vành góp Hệ thống này cũng yêu cầu hằng số quán tính điều chỉnh lớn, với giá trị Te từ 0,3 đến 0,5 giây Ngoài ra, hệ thống kích thích còn có thể sử dụng máy phát xoay chiều để cải thiện hiệu suất.

Nguồn cấp kích từ lấy từ máy phát xoay chiều ba pha, qua chỉnh lu thành dòng một chiều cấp cho cuộn kích từ chính (kích từ máy phát).

Hình 2.3 Hệ thống kích từ máy phát dùng máy phát kích từ tần số cao

Loại này vẫn bị giới hạn bởi công suất và hằng số quán tính vẫn còn lớn (cì 0,3  0,4s).

Một vài thông số về máy phát và hệ kích từ nhà máy thủy điện Hòa B×nh

Hệ thống kích từ của nhà máy thủy điện Hòa Bình được cung cấp nguồn từ máy phát xoay chiều GE, được lắp đặt đồng trục với máy phát chính, đảm bảo hoạt động hiệu quả cho hệ thống.

Điện áp được lấy qua biến áp tự dùng để cung cấp nguồn cho cuộn kích từ máy phát chính, phải qua bộ chỉnh lu để chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều Bộ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng được chọn vì chất lượng điện áp chỉnh lu tốt, độ đập mạch nhỏ (0,5%) và khả năng sử dụng với công suất lớn Điện áp ngược cực đại được đặt lên van.

 2.34  Điện áp ngợc van cần chọn:

Unv = Kdt Unmax = 2.450 = 900 V (Chọn hệ số dự trữ bằng 2)

Dòng điện trung bình qua van: U1v = Id/3

Chọn hệ số dự trữ là 5 thì dòng điện chọn van là

Từ hai chỉ tiêu về dòng và áp nh trên ta chọn van là Thyristor N990CH10K00 có các thông số nh sau:

Nhà máy thủy điện Hòa Bình sử dụng hai mạch cầu đấu song song, trong đó một bộ đảm nhận nhiệm vụ cung cấp dòng điện kích thích cơ bản cho các chế độ làm việc lâu dài Bộ còn lại là nhóm cường hành, đảm bảo phần không đáng kể của dòng điện kích thích, chỉ chiếm khoảng 20%.

Sơ đồ mạch lực thực tế nh sau:

Mạch điều khiển

Mạch điều khiển được sử dụng để xác định thời điểm dẫn của các thiristor, nhằm tạo ra điện áp chỉnh lưu theo yêu cầu Quá trình này bao gồm việc biến đổi tín hiệu Uđk thành góc điều khiển , tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên.

Vang Yang Thor Tou §B DF TX K§X

4.1 Các hệ điều khiển chỉnh lu

Có hai hệ điều khiển cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ a Hệ đồng bộ

Trong hệ thống điều khiển, góc điều khiển α được xác định từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực, thường lấy điểm O của điện áp lực làm mốc trong mạch chỉnh lu một pha Để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động đồng bộ với điện áp lực, cần có một khâu đồng bộ hay đồng pha Hệ thống không đồng bộ không có sự đồng bộ này.

Trong hệ thống này, góc điều khiển  không được xác định bởi điện áp lực mà phụ thuộc vào trạng thái của tải chỉnh lưu và góc điều khiển của lần phát xung mở van trước đó Vì vậy, mạch điều khiển này không yêu cầu khâu đồng bộ Tuy nhiên, để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường, cần thiết phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín, không thể áp dụng mạch hở.

Hệ đồng bộ có nhược điểm nhạy nhiễu lưới điện do liên quan đến điện áp, nhưng lại có ưu điểm là hoạt động ổn định và dễ thực hiện Ngược lại, hệ không đồng bộ chống nhiễu tốt hơn nhưng kém ổn định Hiện nay, phần lớn các mạch điều khiển chỉnh lưu đều áp dụng nguyên tắc sử dụng hệ đồng bộ.

4.2 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ

Có hai nguyên tắc điều khiển sau:

1 Nguyên tắc điều khiển ngang

Cấu trúc và đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển ngang cho thấy khâu BĐ tạo ra điện áp hình sin với góc lệch pha cố định so với điện áp lực Khâu dịch pha DF có nhiệm vụ điều chỉnh góc pha của điện áp ra dựa trên tác động của điện áp Uđk Xung điều khiển được hình thành tại khâu xung TX khi điện áp dịch pha UDf vượt qua điểm O Xung này, sau khi được khuếch đại bởi khâu KĐX, sẽ đạt đủ công suất và được gửi tới cực điều khiển của van nhờ vào sự tác động của Uđk, làm cho điện áp UDf di chuyển theo trục thời gian.

2 Nguyên tắc điều khiển dọc

Khâu tạo điện áp UT tạo ra điện áp cố định, thường có dạng răng cưa hoặc hình sin, theo chu kỳ nhờ nhịp đồng bộ của UĐB Nguyên tắc này cho phép thời điểm phát xung của van thay đổi theo góc điều khiển, do sự biến đổi của trị số Uđk trên đồ thị, dẫn đến sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ Hầu hết các MĐK thực tế hiện nay đều áp dụng nguyên tắc này.

Vang Yang Thor Tou §B Utùa SS+TX6 K§X1

3 Mạch điều khiển một kênh và nhiều kênh

Bộ chỉnh lu cầu ba pha bao gồm 6 thyristor, do đó cần 6 bộ điều khiển phát xung tương ứng Việc cấp tín hiệu điều khiển có thể được thực hiện thông qua hệ thống nhiều kênh hoặc một kênh duy nhất Mạch điều khiển nhiều kênh giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả trong việc quản lý tín hiệu.

Trong loại kênh điều khiển này, nhiều kênh có cấu trúc và nguyên lý làm việc tương tự, mỗi kênh đảm nhiệm việc phát xung mở cho một hoặc hai van cùng pha trong mạch lực Loại kênh này rất phổ biến nhờ vào khả năng tác động nhanh và độ đối xứng góc điều khiển thấp, với độ sai lệch lên đến vài độ điện tại cùng một giá trị Uđk góc  ở các kênh khác nhau Mạch điều khiển một kênh là một phần quan trọng trong hệ thống này.

Mạch loại này chỉ xác định góc điều khiển  cho các van một hoặc hai lần trong mỗi chu kỳ điện áp Bộ phân phối PPX phát xung lần lượt đến các van bằng cách định xung một góc cần thiết, thường là 2/n, trong đó n là số van lực.

4.3 Các khâu trong mạch điều khiển

1 Khâu tạo điện áp đồng bộ

Cuộn sơ cấp của máy biến áp được kết nối với lưới điện, trong đó chỉ có một pha của lưới điện được minh họa Điện áp trên cuộn thứ cấp đạt giá trị +U và -U, tạo thành mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ với điểm trung tính.

Qua mạch chỉnh lưu, ta thu được điện áp một chiều lớn hơn 0 Điện áp này được so sánh với điện áp từ nguồn E đầu vào Giá trị của điện áp đầu vào ở chế độ thuận có thể điều chỉnh thông qua biến trở VR.

Sau khâu này ta thu đợc dạng điện áp nh sau: ở đây ta tạo điện áp đồng pha lệch pha 30 0 so với điện áp lới

2 Khâu tạo điện áp răng ca

Ta biết rằng có hai loại điện áp răng ca: răng ca đi lên và răng ca đi xuèng.

Tạo răng ca đi xuống mang lại lợi ích hơn, vì khi Uđk tăng, góc  giảm, dẫn đến điện áp ra tải chỉnh lu cũng giảm Theo công thức Ud = Ud0.cos, điện áp trên tải có mối liên hệ trực tiếp với góc  Ngược lại, nếu sử dụng mạch tạo răng ca đi lên, khi phát xung điều khiển tăng, điện áp Ud sẽ giảm.

Ta sẽ tạo răng ca ở cả 2 chu kỳ với sơ đồ nh sau:

Dạng đồ thị thu đợc sau khâu tạo điện áp tựa

- Đầu ra của OA1 là điện áp đồng bộ dạng xung vuông Do có điốt D2 mà chỉ có xung ân đi qua nạp điện cho tục.

- Điốt zenner có tác dụng giới hạn giá trị điện áp trên tụ C Trong giai đoạn n Ua < 0.

Trong quá trình D2 dẫn dòng và tụ C phóng điện, điện áp trên tụ sẽ tăng dần Để đơn giản hóa phân tích, chúng ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của iR3 trong giai đoạn này, vì nguồn E thường có trị số lớn.

Vậy điện áp trên tụ tăng tuyến tính

Khi điện áp giảm về 0, dòng điện qua tụ C bằng dòng điện qua R3 do khóa, dẫn đến dòng từ C bằng dòng qua R3 và ngược chiều, tức là tụ C đang phóng điện Biểu thức phóng điện áp của tụ C được xác định như sau:

Có thể thấy điện áp trên tụ c giảm xuống tuyến tính Khi điện áp giảm về 0 rồi xuống âm thì D2 lại dẫn nh thờng.

Ta sẽ sử dụng khuếch đại thuật toán, đây là phần tử so sánh lý tởng vì:

Tổng trở vào lớn của OA giúp nó không ảnh hưởng đến các điện áp đa vào, cho phép tách biệt hoàn toàn các tín hiệu mà không gây ra sự can thiệp lẫn nhau.

- Tầng vào của OA cũng là tầng vi sai nhng số tầng nhiều, do đó hệ số khuếch đại lớn và do đó độ chính xác so sánh cao.

- Sên xugng dèc xuèng víi tÇn sè 50Hz.

Trong mạch so sánh này, để có đợc điện áp đa vào không ảnh hởng đến nhau ta chọn so sánh kiểu 2 cửa.

Trong mạch so sánh này ta luôn có đợc Ura = K0.(U + - U - ) trong đó K0 là hệ số khuếch đại của OA.

+ Nếu Uđk đa vào cực + và Urc đa vào cực (-) thì:

+ Nếu Uđk đa vào cực (-) và Urc đa vào cực (+) thì:

Icp: dòng cho phép trên transistor

Xây dựng cấu trúc và phân tích ổn định hệ thèng ®iÒu khiÓn kÝch tù

KháI niệm về sơ đồ cấu trúc

Từ công thức thấy từ các phơng trình hàm truyền đạt dạng tổng quát

Ta xây dựng đợc sơ đồ cấu trúc trạng thái và viết đợc phơng trình trạng thái.

Ngược lại, có thể tồn tại những sơ đồ cấu trúc phức tạp với nhiều khối đơn giản kết nối theo các kiểu song song, nối tiếp, liên hệ ngược chiều và đan chéo Mục đích của việc biến đổi và đơn giản hóa sơ đồ cấu trúc này là nhằm nâng cao hiệu quả và dễ hiểu hơn cho người sử dụng.

1 Từ sơ đồ đơn giản cuối cùng, ta sẽ tìm đợc hàm truyền đạt dạng (1-

Phương trình đặc trưng của hệ thống được xác định khi mẫu số của hàm truyền đạt bằng không, được biểu diễn bằng công thức a0p^n + a1p^(n-1) + + an-1p + 1 = 0 (1-105) Phương trình này sẽ được sử dụng để khảo sát ổn định và phân tích hệ thống trong các nghiên cứu tiếp theo.

2 Từ một sơ đồ phức tạp nếu ta lập phơng trình trạng thái từ đó, có khi không hợp lý và ta phải biến đổi cho thích hợp hoặc có khi ta phải tìm về dạng hàm truyền đạt (1-104) rồi xây dựng trở lại một cấu trúc biến trạng thái phù hợp. Đối với graph tín hiệu cũng là một cách biểu diễn sơ đồ khác đi của cấu trúc sơ đồ Tuy nhiên cách biểu diễn theo graph sẽ đơn giản hơn và có một công thức (công thức Meson) để tìm truyền đạt của hệ thống tổng quát và nhanh chãng.

A Các quy tắc biến đổi sơ đồ khối

Có n khối nối tiếp nhau (hình 1-18) tơng ứng với hàm truyền đạt W1,

W2, , Wn thì hàm truyền đạt tơng đơng sẽ bằng tích của n hàm truyền đạt thành phần.

ThËt vËy tõ h×nh 1.18 ta cã:

Rõ ràng có ngay: W1.W2 Wn = ∏ i=1 n

2 Nối song song các khối

Có n khối nối song song (hình 1-19) thì hàm truyền đạt tơng đơng sẽ bằng tổng của các hàm truyền đạt thành phần.

H×nh 1.19 ThËt vËy tõ h×nh 1.19 ta cã:

3 Hai khối nối ngợc chiều (phản hồi)

- Xét với hệ thống có phản hồi âm, trên hình 1.20 có dấu trừ.

Hệ thống có phản hồi dơng thì  = X + Z

4 Chuyển tín hiệu vào từ trớc ra sau một khối Điều kiện biến đổi cấu trúc là tín hiệu truyền đạt không biến đổi Trên hình 1.21 phải có X, Z và Y không đổi.

Rõ ràng tín hiệu z chuyển từ trớc ra sau một khâu, tín hiệu đó phải đi qua một khâu mới, đúng bằng khâu đó.

5 Chuyển tín hiệu vào từ sau ra trớc một khâu

6 Chuyển tín hiệu ra từ sau ra trớc một khối

7 Chuyển tín hiệu ra từ trớc ra sau một khối

8 Hoán vị hai tín hiệu vào (hoặc hai tín hiệu ra) với nhau thì sơ đồ không hề thay đổi (hình 1.25).

B Ví dụ ứng dụng các quy tắc biến đổi sơ đồ khối

Ví dụ 1.19 Xét hệ thống có sơ đồ cấu trúc nh trên hình 1.26:

Muốn đơn giản sơ đồ cấu trúc hình 1.26 ta phải dịch chuyển tín hiệu ra gi÷a hai khèi W3 - W4 ra tríc khèi W3 (h×nh 1.27).

Hai tín hiệu ra từ A và B có thể hoán vị cho nhau, khi đó mạch vòng W2

- W3 - W6 có thể tính đợc Wt1 phản hồi dơng):

Do đó ta có sơ đồ cấu trúc mới trên hình 1.28

Từ sơ đồ hình 1.28 ta tính đợc khối tơng đơng của mạch vòng W1 - Wt1

- W5 (phản hồi âm) có hàm truyền đạt Wt2.

1+W 1 W t1 W5 Tiếp tục ta lại có sơ đồ cấu trúc mới trên hình 1.29.

H×nh 1.29 Cuối cùng ta có thể tính đợc hàm truyền đạt tơng đơng của cả hệ thống là:

1 Các định nghĩa cơ bản

- Graph là một đồ hình gồm các nhánh và các nút.

Mỗi nút trong đồ thị được đại diện bằng một điểm, thể hiện một đại lượng trong hệ thống điều khiển Nút gốc biểu thị lượng đầu vào, trong khi nút ngọn đại diện cho lượng đầu ra của một khâu cụ thể.

Một nhánh kết nối nút gốc và nút ngọn được thể hiện bằng mũi tên, trên đó ghi giá trị hàm truyền tương ứng với một khâu cụ thể Ví dụ, trong hình 1.30, có một nhánh với hai nút được minh họa rõ ràng.

Hàm truyền đạt của một nhánh bằng tỷ số của giá trị nút ngọn và giá trị nót gèc: Wij = xj/xi.

Tương tự như sơ đồ cấu trúc, sự kết nối giữa các nhánh riêng lẻ tạo thành một đồ thị tín hiệu cho hệ thống điều khiển Theo sơ đồ cấu trúc hình 1.20, chúng ta có thể thấy đồ thị tín hiệu cơ bản được thể hiện trong hình 1.31.

2 Quy tắc biến đổi của graph

- Phản hồi dơng (hoặc âm)

- Khử nhánh tạo vòng kín;

3 Sự tơng ứng giữa sơ đồ cấu trúc và grâph tín hiệu của hệ thống điều khiÓn.

- Giả sử có graph vẽ trên hình 1-35a Từ đó ta viết đợc phơng trình

Hoặc biến đổi 1.35b sẽ có:

H×nh 1.37 Các phơng trình này tơng ứng với sơ đồ cấu trúc hình 1.36.

- Đối với graph phức tạp hơn vẽ trên hình 1.37a ta sẽ có sơ đồ cấu trúc tơng ứng vẽ trên hình 1.37b.

Để tìm hàm truyền đạt tương đương giữa đầu ra X2 và đầu vào X1 theo sơ đồ cấu trúc hình 1.37b, cần thực hiện những biến đổi phức tạp, dễ gây nhầm lẫn Tuy nhiên, bằng cách sử dụng đồ thị hình 1.34a và áp dụng một phép tính tổng quát, việc xác định hàm truyền đạt tương đương trở nên dễ dàng hơn.

IV Công thức tổng quát Meson để tìm toán tử của graph tín hiệu:

Trong hình 1.38, có một đồ thị tín hiệu tổng quát được trình bày Meson đã phát triển một công thức tổng quát nhằm xác định toán tử, hay còn gọi là hàm truyền đạt, của đồ thị tín hiệu này.

Li là tổng số tất cả các hàm truyền đạt của các vòng kín trong đồ thị, trong đó vòng kín được định nghĩa là một đường khép kín bao gồm các nhánh liên tiếp cùng hướng, với điều kiện rằng tín hiệu chỉ đi qua một nút của nhánh đó một lần.

- LiLj: là tổng số các tích hàm truyền đạt của hai vòng kín không dính vào nhau ở trong graph.

- LiLjLk: là tổng số các tích hàm truyền đạt của ba vòng kín không dính vào nhau ở trong graph.

Pk (XY) là hàm truyền đạt của đường dòng thứ k, diễn tả hướng di chuyển từ X đến Y Đường dòng này bao gồm các nhánh liên tục, tất cả đều có cùng một hướng từ X đến Y.

Y mà khi tín hiệu truyền đạt qua một nút của nó từ gốc đến ngọn chỉ đợc một lÇn).

- k là định thức con của Graph suy ra từ  bằng cách bỏ đi các vòng kín Li có dính với đờng dòng thứ k.

* Tìm hàm truyền đạt tơng đơng của graph vẽ trên hình 1.39.

- Tính hàm truyền đạt các đờng dòng:

vấn đề ổn định hệ thống điện

II.1 Khái niệm chung về ổn định của hệ thống điện

II1.1 Các chế độ làm việc của hệ thống điện - định nghĩa ổn định a Hệ thống điện

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện năng.

Các phần tử của hệ thống điện đợc chia thành hai nhóm:

1) Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng nh máy phát điện, đờng dây tải điện và các thiết bị dùng điện…

2) Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái hệ thống điện nh điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơ le, máy cắt điện…

Mỗi phần tử trong hệ thống điện được xác định bởi các thông số vật lý, bao gồm tổng trở, tổng dẫn, hệ số biến áp và hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Những thông số này phản ánh tính chất của các phần tử và sơ đồ liên lạc giữa chúng, đồng thời là cơ sở để đánh giá chế độ hoạt động của hệ thống điện.

Các chế độ của hệ thống điện đợc chia thành hai loại:

1) Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem nh các thông số này là hằng số.

Trong thực tế, không có chế độ nào trong hệ thống điện mà các thông số của nó luôn ổn định theo thời gian Hệ thống điện bao gồm một số lượng lớn các phần tử, và sự biến đổi của các phần tử này dẫn đến sự thay đổi liên tục của các thông số chế độ.

Chế độ xác lập đợc chia thành:

- Chế độ xác lập bình thờng là chế độ vận hành bình thờng của hệ thống điện.

- Chế độ xác lập sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố.

- Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ nh chế độ ngắn mạch duy trì…

2) Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số biến đổi rất nhiều. Chế độ quá độ gồm có:

- Chế độ quá độ bình thờng là bớc chuyển từ chế độ xác lập bình thờng này sang chế độ xác lập bình thờng khác.

- Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố. c.Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện

 Đối với các chế độ xác lập bình thờng các yêu cầu là:

Để đảm bảo chất lượng điện năng, nguồn cung cấp cho các phụ tải cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn quy định về các thông số chất lượng, bao gồm điện áp và tần số, nằm trong giới hạn cho phép.

Đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện là yếu tố quan trọng, giúp các phụ tải nhận được nguồn điện liên tục với chất lượng ổn định Mức độ liên tục này không chỉ đáp ứng nhu cầu của các hộ sử dụng điện mà còn phù hợp với điều kiện hoạt động của hệ thống điện.

Chế độ này mang lại hiệu quả kinh tế cao bằng cách đảm bảo độ tin cậy và chất lượng điện năng trong khi vẫn giữ chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng ở mức tối thiểu.

Đảm bảo an toàn điện là yếu tố quan trọng, cần bảo vệ người vận hành, người sử dụng điện và thiết bị phân phối điện Trong trường hợp chế độ xác lập sau sự cố, các yêu cầu an toàn có thể được giảm bớt, nhưng chỉ trong thời gian ngắn Sau đó, cần thực hiện các biện pháp để điều chỉnh thông số hoặc thay đổi sơ đồ hệ thống, nhằm đưa chế độ trở về trạng thái bình thường.

 Đối với chế độ quá độ yêu cầu sẽ là:

- Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng chế độ xác lập bình thờng hay chế độ xác lập sau sự cố.

- Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép.

Ví dụ giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch.

Khi thiết kế hệ thống điện, các yêu cầu của nó cần được xem xét kỹ lưỡng và được đảm bảo thông qua việc điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành Để duy trì chế độ xác lập, cần có những điều kiện nhất định, trong đó định nghĩa ổn định của hệ thống điện đóng vai trò quan trọng.

Vang Yang Thor Tou d.1 Sự cân bằng công suất

Để chế độ xác lập có thể tồn tại, cần đạt được sự cân bằng giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng Công suất do các nguồn cung cấp phải tương đương với tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải và công suất tổn thất trong các thành phần của hệ thống điện.

QF = Qpt + Q = Q (1.2) Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ:

S 2 =P 2 +Q 2 (1.3) cho nên các điều kiện cân bằng công suất (1.1) và (1.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng.

Trong thực tế, việc tính toán và vận hành hệ thống điện có thể được thực hiện gần đúng bằng cách xem sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng tuân theo các quy luật riêng biệt, ít ảnh hưởng lẫn nhau.

1 Sự biến đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hởng của nó đến điện áp không đáng kể.

Nh vậy tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng.

2 Sự biến đổi của công suất phản kháng ảnh hởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống điện. Điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất phản kháng.

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, các điều kiện cân bằng công suất được duy trì một cách tự nhiên thông qua việc điều chỉnh các thông số chế độ Khi tăng công suất tác dụng của nguồn, tần số sẽ tăng, dẫn đến sự gia tăng công suất tiêu thụ của phụ tải cho đến khi đạt được sự cân bằng Ngược lại, khi đóng thêm một phụ tải công suất phản kháng, điện áp toàn hệ thống sẽ giảm, làm giảm công suất của các phụ tải phản kháng khác cho đến khi đạt lại trạng thái cân bằng Tuy nhiên, việc điều chỉnh này chỉ có thể thực hiện trong phạm vi cho phép.

Các điều kiện cân bằng công suất (1.1), (1.2) và (1.3) là cơ sở để tính toán các chế độ của hệ thống điện, từ đó xác định các thông số như U, I, P, Q Để đảm bảo hoạt động ổn định của phụ tải điện và hệ thống điện, cần quy định các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và phản kháng.

xét ổn định hệ thống

Hệ thống đợc gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian.

Hệ thống được coi là không ổn định khi quá trình quá độ tăng dần theo thời gian Ngược lại, hệ thống đạt trạng thái biên giới ổn định khi quá trình quá độ duy trì không đổi hoặc xảy ra dao động mà không tắt dần.

Các biểu diễn toán học định nghĩa hệ thống ổn định (hình 3.1a). lim t →∞ y qd ( t ) =lim t →∞ ∑ i=1 n

(3-5) và hệ thống không ổn định (hình 3.1b): lim t →∞ y qd ( t )=∞

Hệ thống ĐKTĐ đợc xét là hệ dừng, tức là các hệ số ai trong (3-4) không biến đổi theo thời gian.

Trong (3-5) và (3-6) vì Ci = const:

- Khi pi là các nghiệm thực: pi = i lim i→∞ C i e P i t =lim i→∞ C i e α i t =¿ { ¿ { ¿¿¿¿¿

(Đờng (1) trên hình 3-1b có i > 0; Đờng (1) trên hình 3-1a có

- Khi pi là các cặp nghiệm phức liên hợp: pi = i  ji

0 nếu i < 0 (ổn định) lim i→∞ e P i t =lim i →∞

 nếu i > 0 (không ổn định) (Đờng (2) trên hình 3-1b có i > 0; Đờng (2) trên hình 3-1-a có

Qua đây ta rút ra ba kết luận quan trọng:

1) Hệ thống ổn định nếu tất cả nghiệm của phơng trình đặc tính (3-4) có phần thực âm: (Các nghiệm ở nửa trái mặt phẳng phức).

2) Hệ thống sẽ không ổn định nếu chỉ cần có một nghiệm có phần thực dơng: (Có một nghiệm ở nửa phải mặt phẳng phức).

3) Hệ thống ở giới hạn ổn định nếu chỉ cần có một nghiệm có phần thực bằng không còn các nghiệm còn lại có phần thực âm (có một nghiệm ở trên trục ảo và các nghiệm còn lại nửa trái mặt phẳng thực).

Re{pi} = 0 (i = 1) Re{pi} < 0 (i = 2, 3, , n) NhËn xÐt:

Ci nếu i = 0 (Hệ số biên giới ổn định)

 nếu i > 0 (Hệ không ổn định)

Muốn xét ổn định của một hệ thống, ta phải tìm nghiệm phơng trình vi phân (3 - 1) rồi lấy giới hạn theo (3 - 5) Thực ra việc giải phơng trình vi phân

Việc xét ổn định hệ thống gặp nhiều khó khăn, do đó cần thay thế bằng cách tìm nghiệm p1 của phương trình đặc tính, một phương trình đại số Tuy nhiên, việc tính toán có thể trở nên phức tạp, đặc biệt với các phương trình đại số bậc 4 trở lên Do đó, cần tìm kiếm phương pháp gián tiếp đơn giản hơn để đánh giá tính ổn định của hệ thống Các phương pháp gián tiếp này đã dẫn đến sự ra đời của các tiêu chuẩn ổn định mà chúng ta sẽ xem xét tiếp theo.

Các tiêu chuẩn ổn định chia thành hai loại:

Tiêu chuẩn đại số là phương pháp xác định điều kiện ràng buộc giữa các hệ số của phương trình đặc tính nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống Tiêu chuẩn ổn định Routh - Hurwitz là một trong những công cụ quan trọng để thực hiện điều này.

- Tiêu chuẩn ổn định tần số: thông qua đặc tính tần số của hệ thống để xét ổn định. Đó là tiêu chuẩn ổn định Mikhaliôv, tiêu chuẩn Nyquyst.

Để đánh giá sự ổn định của hệ thống khi một thông số thay đổi trong một khoảng nhất định, cần áp dụng phương pháp chia miền ổn định hoặc phương pháp quỹ đạo nghiệm số.

- Xét ổn định của hệ thống Đ.K.T.Đ theo các tiêu chuẩn đại số và tiêu chuÈn tÇn sè.

- Tìm miền xác định của thông số biến đổi để hệ thống ĐKTĐ ổn định.

IV.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số Routh - Hurwitz.

IV2.1 Điều kiện ổn định cần thiết của hệ thống ĐKTĐ

Trước khi đánh giá các tiêu chuẩn ổn định, chúng ta cần xác định một dấu hiệu đơn giản để nhận diện tính ổn định của hệ thống Dấu hiệu này chính là điều kiện ổn định cần thiết.

"Điều kiện ổn định cần thiết của hệ thống ĐKTĐ tuyến tính là các hệ số của phơng trình đặc tính dơng"

Hệ số của phương trình đặc tính có cùng dấu đại số, tuy nhiên, khi nhân phương trình với số (-1), các dấu âm sẽ chuyển thành dấu dương.

Ta có thể kiểm chứng lại điều kiện trên nếu giả sử hệ thống ổn định.

Nh thế thì nghiệm của phơng trình đặc tính sẽ là: p1 = -1; p2,3 = -2  j2; ; pn = -n trong đó: i > 0 (i = 1, 2, , n)

Liệu các hệ số của phương trình đặc tính có dương hay không? Nếu phương trình đặc tính có dạng a0p^n + a1p^(n-1) + + an = 0 có n nghiệm, nó có thể được biểu diễn thành a0(p - p1)(p - p2) (p - pn) = 0 Theo giả thiết, chúng ta có thể viết lại dưới dạng a0(p + α1)(p + α2 - jβ2)(p + α2 + jβ2) (p + αn) = 0, hoặc a0(p + α1)[(p + α2)^2 + β^2] (p + αn) = 0 Tiếp tục khai triển và sắp xếp sẽ cho ra dạng a'0p^n + a'1p^(n-1) + + a'n = 0.

Các hệ số a'0; a'1; ; a'n luôn luôn dơng vì các số hạng trong (3-7) là số dơng và phép tính chỉ có phép cộg và bình phơng.

Vì thế khi hệ thống ổn định bắt buộc các hệ số của phơng trình đặc tính phải dơng.

Ví dụ 3-1 Hệ thống ĐKTĐ có phơng trình đặc tính:

0,04p 3 + 0,4p 2 + p + 50 = 0 có các hệ số ai > 0 nên có thể ổn định (vì cha có điều kiện đủ nên cha quả quyết kết quả!).

Hệ thống ĐKTĐ với phương trình đặc tính p^4 + 2p^3 - 0,5p^2 + 3p + 20 = 0 được xác định là không ổn định do hệ số a2 = -0,5 nhỏ hơn 0, không đáp ứng điều kiện ổn định cần thiết.

IV.2.2 Tiêu chuẩn Routh (không chứng minh)

*"Điều kiện cần và đủ để có hệ thống tuyến tính ổn định là tất cả các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh dơng".

Giả sử với phơng trình đặc tính bậc 5: a0p 5 + a1p 4 + a2p 3 + a3p 2 + a4p + a5 = 0

Hai hàng đầu của bảng Rao chỉ gồm các hệ số của phơng trình đặc tính sắp xếp theo mũi tên:

Các hàng sau có các số hạng tính theo biểu thức:

Nhận xét rút ra tính quy luật lập bảng Routh

Mỗi một số hạng trong một hàng của bảng Routh là một thơng sẽ có:

Tử số là một định mức hạng hai có dấu âm, với cột đầu tiên tương ứng với cột đầu tiên của hai hàng nằm ngay trên hàng đang tính Cột thứ hai của định thức sẽ là cột ngay bên phải của số hạng đang tính, cũng thuộc về hai hàng trên.

Trong mọi hàng số hạng, mẫu số chung được xác định là số hạng ở cột thứ nhất và nằm ngay trên hàng đang tính.

Ví dụ 3-3: Cho phơng trình đặc tính của hệ thống p 4 + 2p 3 + 8p 2 + 4p + 3 = 0 Lập bảng Routh

Hệ thống ổn định vì tất cả số hạng trong cột thứ nhất dơng.

Ví dụ 3-4: Cho phơng trình đặc tính của hệ thống p 5 + p 4 + 3p 3 + 4p 2 + p + 2 = 0 Lập bảng Routh:

Hệ thống không ổn định do các số hạng trong cột thứ nhất không cùng dấu đại số, với 4 lần đảo dấu (+1), (-1), (+3), (-1/3) và (+2) Điều này dẫn đến việc có 4 nghiệm có phần thực dương, tuy nhiên tính chất này chưa được chứng minh.

3 Các tính chất của bảng Routh và các điểm chú ý a) Có thể nhân hoặc chia tất cả các số hạng trong cùng một hàng của bảng Routh với một số dơng, kết quả tính toán vẫn không thay đổi. b) Số lần đổi dấu của các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh bằng số nghiệm của phơng trình đặc tính có phần thực dơng. c) Néu trong cột thứ nhất có một hệ số bằng không thì hệ thống cũng không ổn định.

Từ cột đầu tiên của bảng Routh, chúng ta có thể xác định giá trị tới hạn của một tham số biến đổi trong hệ thống, chẳng hạn như hệ số khuếch đại.

Ví dụ 3-5 Chọ hệ thống gồm ba khâu quán tính nối tiếp có phơng trình đặc tính:

(T1p + 1) (T2p + 1) (T3p + 1) + k = 0 (3-10) Khai triển ra sẽ có:

{ a a ( a 0 1 1 a 2 −a 0 a 3 ) 1 a 1 a a 2 3 ¿ ¿¿¿ (3 - 11) Điều kiện ổn định là: a0 > 0; a1 > 0; a3 > 0 và: a1a2 - a0a3 > 0 (T1T2 + T2T3 + T3T1) (T1 + T2 + T3) > T1T2T3(1 + k) k <

T 3 ) (T1 + T2 + T3) - 1 = kth e) Nếu trong hệ thống có một khâu chậm trễ với hàm truyền đạt e − pT 2 Ví dụ cho hệ thống vẽ trên hình 3-2:

H×nh 3.2Phơng trình đặc tính hệ thống kín:

Để áp dụng tiêu chuẩn ổn định Routh, phương trình đặc tính T1T3p^3 + (T1 + T3)p^2 + p + k1k2k3 e^(-pT) = 0 cần được chuyển đổi thành dạng phương trình đại số tuyến tính Để thực hiện điều này, ta sử dụng công thức khai triển Taylor gần đúng cho hàm e^(-pT), cụ thể là e^(-pT) = 1 +

(3 - 13) Lấy hai số hạng đầu ta đợc: e −pT  1 - pT (3 - 14)