nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống kích từ có xét đến bộ ổn định công suất – pss đến ổn định của hệ thống điện

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát có PSS 71 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Ký hiệu, chữ viết tắt Biểu diễn Ghi chú tiếng anh

AVR Tự động điều chỉnh điện áp Automatic Voltage Regulator

SSG Máy phát đồng bộ tĩnh Static synchronours Generator UEL Khối giới hạn thiếu kích từ Under Excitation Limit OEL Khối giới hạn quá kích từ Over Excitation Limit

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Đồ thị véc tơ máy phát nối lưới 23

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tác động nhanh đến hệ thống kích từ 25 Hình 1.5 Dao động máy phát làm việc song song 26

Hình 2.1 Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi ở tải có tính

Hình 3.1 Hệ thống kích từ bằng máy phát điện một chiều 59 Hình 3.2 Hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay chiều tần số 61 Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay chiều 61

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống kích từ tĩnh 62 Hình 3.6 Bộ ổn định công suất dựa vào tín hiệu PSS1A 64 Hình 3.7 Sơ đồ khối bộ ổn định công suất PSS2A 66 Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ ổn định công suất PSS2B 67

Hình 3.11 Sơ đồ khối bộ ổn định công suất PSS4B 68

Hình 3.13 Khâu lọc cao tần và quán tính bậc 1 69

Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp và ổn định

công suất máy phát đồng bộ

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI HỆ THỐNG KÍCH TỪ TĨNH

Hình 3.24 Đáp ứng điện áp kích từ có PSS và không có PSS 78

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục hình vẽ

1.4.7 Nguyên lý hoạt động của bộ ổn định công suất (PSS) 30

2.1 Máy phát điện đồng bộ 31

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ 31 2.1.3 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ 32 2.1.4 Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ 33 2.1.5 Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ 35 2.1.6 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng 37

2.2 Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ 47 2.2.1 Phương trình máy điện ở hệ trục ba pha 47 2.2.2 Phương trình máy điện đồng bộ viết ở hệ trục vuông góc 48 2.2.3 Phương trình vi phân máy phát đồng bộ 55 2.2.4 Phương trình máy điện đồng bộ viết ở đại lượng tương đối 55

CHƯƠNG 3: CẤU CHÚC HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH

CÔNG SUẤT

59

3.1.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều 59 3.1.2 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao 60 3.1.3 Hệ thống kích từ tĩnh ( Static Exciter ) 62 3.1.4 Phương án ứng dụng hệ thống kích từ cho máy phát đồng bộ 63

3.2.4 Phân tích các thành phần trong mô hình PSS2A 68

3.3 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát (có PSS) 71

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện của nước

ta tăng trưởng không ngừng.Vì vậy sự phát triển nhảy vọt về công suất của hệ thống điện Việt Nam đã làm tăng yêu cầu cấp thiết phải đi sâu nghiên cứu đặc

tính ổn định

Sự mất ổn định của HTĐ thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, công suất làm việc của máy phát cần thay đổi theo Do có sụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát bị biến thiên, lệch khỏi trị số định mức.Nếu

không có biện pháp điều chỉnh, độ lệch sẽ rất đáng kể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống, bộ ổn định công suất (PSS) đã được sử dụng cho mục đích này Vì vậy tôi chọn luận văn

với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của Hệ thống kích từ có xét đến bộ ổn định

công suất – PSS đến ổn định của Hệ thống điện”

Trong phạm vi đề tài này sẽ đi giải quyết 2 vấn đề đó là:

- Khảo sát, đánh giá khả năng, phạm vi ứng dụng của các loại hệ thống kích từ ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, công suất của máy phát Dựa trên cơ sở phân tích kinh tế, kỹ thuật của các phương án để lựa chọn loại hệ thống kích từ tối ưu nhất

- Nghiên cứu cấu trúc, mô hình PSS trong HTĐ Các hiệu quả và khả năng ứng dụng của chúng

Trong quá trình hoàn thành luận văn tôi đã có được sự giúp đỡ và chỉ dẫn rất tận tình của các thầy, cô giáo Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển và các thầy các cô khoa sau đại học, khoa điện và khoa điện tử - Trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên

Đã giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này Tuy vậy với kinh nghiệm và trình độ thực tế của tôi còn bị hạn chế nên trong quá trình thiết kế tôi không tránh khỏi những thiếu sót Nên bản luận văn của tôi vẫn còn có chỗ chưa được hoàn thiện Tôi rất mong được sự chỉ dẫn chân thành của các thầy cô

và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn của tôi đạt chất lượng tốt

Tôi xin chân thành cám ơn!

Thái nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2011

Tác giả luận văn

Đào Duy Yên

Chương I TỔNG QUAN HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT

MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

1 Ổn định Hệ thống điện

1.1 Chế độ của Hệ thống điện

1.1.1 Hệ thống điện (HTĐ)

HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải

và tiêu thụ năng lượng

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:

- Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối

- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện…

Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích… Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ

Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số… như là X, Y, độ từ hoá… trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của MF, MBA trong các bài toán ổn định

1.1.2 Chế độ của HTĐ

Tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của HTĐ

tại mọi điểm của HTĐ Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ

Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ,

/R

Đó là dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ, dạng phi tuyến này không thể bỏ qua trong các bài toán điện lực

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:

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

Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các

phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng

+ Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố

1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ

a CĐXL bình thường, các yêu cầu là:

- Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp

và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn

- Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được CCĐ liên tục với chất lượng đảm bảo Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ

- Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất

- Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện

b CĐXL sau sự cố, yêu cầu là:

Các yêu cầu mục a được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này để về CĐXL bình thường

c Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là:

- Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch…

- Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ

1.2 Khái niệm Ổn định HTĐ

1.2.1 Cân bằng công suất

Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK) Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ

P P P

Q Q Q

Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:

2 2 2

Q P

- Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng của

nó đến điện áp không đáng kể Như vậy tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá

Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn lên lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn Hay khi

đóng thêm một phụ tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK Tất nhiên sự điều chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép

Các điều kiện cân bằng công suất (1.1) và (1.2) và (1.3) là các cơ sở xuất phát để tính toán các chế độ của HTĐ Từ các điều kiện ấy ta tính được các thông số của chế độ U, I, P, Q…

Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và HTĐ, quy định các giá trị cân bằng cho CSTD và CSPK như sau:

- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép:

max cp

Sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống Vì ở tất cả các điểm trên

hệ thống tần số luôn có giá trị chung Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó

Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chất cục bộ thừa chỗ này thiếu chỗ khác Việc điều chỉnh CSPK phức tạp không thể thực hiện chung cho toàn bộ

hệ thống được

Trong HTĐ, máy phát điện (MF) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto của các MF đóng vai trò quan trọng quyết định sự tồn tại của CĐXL Đây là sự cân bằng Cơ-Điện,

MF

P do MF phát ra: PT B PMF

Như trên đã nói, sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc tác động

Đối với CSPK sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng hơn cả

Còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện công suất điện của lưới PPTvà công suất cơ PCcủa các máy công cụ: PC  PPT

1.2.2 Định nghĩa Ổn định HTĐ

Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một CĐXL tồn tại trong thực tế Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các kích động từ bên ngoài Một chế độ thoả mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá huỷ

Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn

c Ổn định tĩnh

Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của thiết bị điều chỉnh… Các kích động này tác động lên roto của MF, phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho CĐXL tương ứng bị dao động CĐXL muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa

là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh

Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên

độ khá lớn Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch… Các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị dao động rất mạnh Khả năng của HTĐ chịu được các kích động này

mà CĐXL không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của HTĐ

Ta có định nghĩa ổn định động:

Ổn định động là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn

Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của HTĐ tồn tại lâu dài

c Ổn định tổng quát

Khi một chế độ nào đó của HTĐ chịu các kích động nhỏ hoặc lớn, nếu HTĐ có ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng CSTD ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ vững Trong quá trình dao động này tần số

bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số được xem như không thay đổi Vì vậy đặc trưng quá trình dao động rotor của MF

) /

, ( 0  2  f  2 3 14 50  314 rad s chế độ vẫn là chế độ đồng bộ

Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá huỷ, tốc độ góc của roto bị lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ

- Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các MF bị cắt khỏi lưới và ngừng làm việc

- Chế độ đồng bộ lại được khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn định tổng quát

Ta có, định nghĩa ổn định tổng quát:

Ổn định tổng quát là khả năng của HTĐ lập lại chế độ đồng bộ sau khi

đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động

d Ổn định điện áp

Ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi Sự biến đổi điện áp này có thể làm cho cân bằng CSTD và CSPK bị phá hoại dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ ngừng làm việc Khả năng của HTĐ chịu được các kích động này mà chế độ làm việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn định điện áp

Ta có, định nghĩa ổn định điện áp (ổn định phụ tải):

Ổn định phụ tải là khả năng của HTĐ khôi phục lại điện áp ban đầu hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải

hơn công suất cần phát của nhà máy điện

b Mất ổn định dao động, có 2 dạng:

- Tự dao động tăng dần: nguyên nhân chính có thể xảy ra là không chỉnh

vừa tăng lên Để hạn chế tự dao động tăng dần phải chỉnh định đúng TĐK loại

tỷ lệ Khi đường dây dài tải công suất lớn thì nên dùng TĐK loại mạnh có khả năng hạn chế nguy cơ tự dao động tăng dần cao hơn so với TĐK loại tỷ lệ

- Tự kích là hiện tượng dòng điện kích từ và dòng điện máy phát tự tăng lên kéo theo sự biến đổi của điện áp máy phát Tự kích hay xảy ra trong

trường hợp máy phát làm việc với đường dây dài không tải Điện dung của đường dây (do điện dung lớn hơn điện kháng nên đường dây thể hiện với máy phát như một tụ điện) tạo với điện kháng, điện trở máy phát mạch dao động

số của máy phát sẽ gây ra cộng hưởng và làm cho dòng điện và điện áp máy phát tăng lên Để tránh hiện tượng này khi thiết kế đường dây dài phải chú ý khi chọn và hiệu chỉnh thông số của đường dây

Nói chung thì sau khi thiết kế và chỉnh định đúng hệ thống với đường dây dài, thì các hiện tượng tự dao động tăng dần và tự kích có thể xem như được loại trừ Trong vận hành chỉ còn phải đối phó với mất ổn định dạng tiệm cận khi mà công suất phát biến đổi mạnh

1.3 Hệ thống kích từ máy phát

1.3.1 Khái niệm chung

Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các quận dây kích thích của máy phát điện đồng bộ Dòng kích từ phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống

Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản kháng phát vào lưới điện

Một vấn đề đáng quan tâm khi máy phát điện làm việc ở chế độ quá độ Chế độ quá độ có thể xảy ra trong quá trình khởi động máy hoặc khi nối máy phát điện làm việc với lưới Quá trình quá độ xảy ra có thể làm chất lượng điện năng giảm Nếu không khống chế kịp thời có thể gây nên phá hủy máy Thông thường thời gian quá độ của máy phát điện nói chung đòi hỏi phải tắt rất nhanh biên độ dao động của các quá trình quá độ trong máy phải nằm trong phạm vi cho phép Đặc biệt trong trường hợp sự cố (ngắn mạch), cần có

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

1.3.3 Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát

Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta

sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR – Automatic Voltage Regulator) Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với

độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn công suất truyền tải của máy phát vào hệ thống lưới điện Đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống qua đường dây dài Những yêu cầu chung với hệ thống tự động điều chỉnh kích từ:

- Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính ổn định động

- Hệ thống còn có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy làm việc ở chế

độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới) …thì chỉ có bộ phận kích thích cưỡng

bức làm việc là chủ yếu Bộ phận này cho phép duy trì điện áp của lưới thông qua đó tạo điều kiện giải quyết sự cố và giữ ổn định cho hệ thống

Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông

số của hệ thống kích từ như kết cấu của thiết bị AVR

Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho quận dây kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần phải có hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần phải có hệ thống kích từ thích hợp với công suất định mức đủ lớn Thông thường đỏi hỏi công suất định mức của hệ thống kích từ bằng (0,2

từ có công suất lớn như vậy thường gặp nhiều khó khăn Đó là vì công suất chế tạo các máy phát điện một chiều có công suất lớn bộ phận này làm việc kém tin cậy và mau hỏng do tia lửa điện phát sinh Với các hệ thống kích từ dùng máy phát điện động cơ xoay chiều và chỉnh lưu có ưu điểm nổi trội hơn Ngày nay người ta đang áp dụng phổ biến hệ thống kích từ tĩnh, dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển

Ngoài công suất định mức và điện áp định mức, hệ thống kích từ còn được đặc trưng bởi hai thông số quan trọng khác là điện áp kích từ giới hạn (Ufgh) và hằng số thời gian (Te)

Điện áp kích từ giới hạn là điện áp kích từ lớn nhất có thể tạo ra được của

hệ thống kích từ Giá trị điện áp này càng lớn thì phạm vi điều chỉnh dòng kích từ càng rộng và càng có khả năng điều chỉnh nhanh Đối với máy phát

các yêu cầu đảm bảo ổn định hệ thống, người ta chế tạo Ufgh = (3  4) Ufđm

cao

Hằng số thời gian Te đặc trưng cho tốc độ thay đổi dòng kích từ Te được

nhỏ thì tốc độ điều chỉnh kích từ càng nhanh Đặc trưng cho tính tác động nhanh của hệ thống kích từ bằng tốc độ điện áp kích từ khi có kích thích cưỡng bức

Sử dụng cho hệ thống kích từ tĩnh, bộ chỉnh lưu sử dụng ở đây là kiểu chỉnh lưu 3 pha, gồm hai cầu như nhau nối song song Trong chế độ vận hành bình thường, cả hai cầu đều ở vị trí làm việc nhưng chỉ một cầu có xung kích

từ để mở cổng thyristor, cầu còn lại ở trạng thái đóng

Trong trường hợp cầu đang mở có sự cố thì mạch điều khiển của nó tự động ngắt xung kích từ để khóa thyristor, và mạch điều khiển xung của cầu kia được tác động để tự động mở thyristor Mỗi thyristor được lắp cùng với một cầu chì bảo vệ, một cảm biến nhiệt điện trở (RTD) để theo dõi nhiệt độ Các cầu chỉnh lưu được thiết kế và bảo vệ để nó có thể hoạt động trong mọi điều kiện, thậm trí cả khi hệ thống điện bị dao động mà không có bất cứ nguy hại nào Hệ thống kích từ có khả năng chịu được dòng cảm ứng trong mạch kích từ trường hợp ngắn mạch một pha hay nhiều pha phía hạ áp máy biến áp chính, hoặc trong trường hợp mất động bộ, mà các điểm đấu nối thyristor không bị quá nhiệt

Các bộ thyristor được đặt trong các phiến tỏa nhiệt thích hợp và được làm mát bằng không khí cưỡng bức Hệ thống làm mát được trang bị hai quạt gió 400/230 VA.C mỗi quạt đảm bảo 100% công suất làm mát cho các bộ thyristor, một quạt làm việc và một dự phòng Sự chuyển đổi hoạt động giữa hai quạt được thực hiện tự động

Để giám sát nhiệt độ bộ chỉnh lưu, các quạt được trang bị các bộ đo lưu lượng không khí làm mát và các cảm biến nhiệt độ với hai mức cảnh báo, mức thứ nhất gửi đi tín hiệu báo động và mức thứ hai gửi đi tín hiệu cắt

1.3.5 Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ

Trong thực tế có bốn loại hệ thống kích từ điển hình được sử dụng cho máy phát điện đồng bộ là:

- Hệ thống kích từ bằng máy phát điện một chiều

- Hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay chiều tần số cao

- Hệ thống kích từ không chổi than

- Hệ thống kích từ tĩnh

Những hệ thống kích từ này sẽ được trình bày ở chương 3

1.4 Hệ thống ổn định công suất

1.4.1 Trạng thái ổn định

Trong trạng thái hoạt động ổn định, công suất điện đầu ra cân bằng với công suất cơ đầu vào (bỏ qua tổn hao) Khi hệ thống bị tác động bởi sự cố, hoặc phụ tải thay đổi nhanh, công suất điện phát ra sẽ thay đổi Công suất điện từ đầu ra có thể thay đổi nhanh chóng, nhưng công suất cơ trong máy phát đồng bộ thay đổi tương đối chậm Bởi tốc độ đáp ứng khác nhau, nên tồn tại sự khác biệt tạm thời về cân bằng công suất Sự mất cân bằng công suất này làm cho rôto của máy phát đồng bộ quay nhanh hơn hoặc chậm đi, tùy thuộc vào xu hướng của sự mất cân bằng

máy biến áp tăng thế được nối vào lưới qua đường truyền đặc trưng bởi điện kháng, XS Công suất phát từ máy phát trong trạng thái ổn định được tính bằng công thức:

e g

E E

Hình 1.1 Máy phát đồng bộ kết nối với lưới

Trong đó  là góc lệch giữa điện áp đầu cực máy phát và nguồn áp lý

điều này ở trong (Hình 1.2) dưới đây

Nếu do tác động mà làm tăng dòng điện I, điện áp đầu cực giảm, công suất phát sẽ giảm Nguyên nhân này sẽ làm tăng góc rôtor, có thể hoạt động của máy đồng bộ sẽ vượt giới hạn

1.4.2 Trạng thái ổn định tức thời

Công suất phát ra của máy phát điện đồng bộ có thể chuyển sang dạng

Cả hai thành phần của mômen đều có trong mỗi máy phát đồng bộ Việc thiếu mômen đồng bộ có thể làm mất đồng bộ Việc mất đồng bộ có thể tránh được nếu có một hệ thống kích từ đáp ứng ban đầu cao, hệ thống này có khả năng cưỡng bức rất tốt và đáp ứng nhanh ngăn cản việc tăng hay giảm tốc độ của rôtor Để đạt hiệu quả đáp lại việc tăng tốc hay giảm tốc của rôtor, bộ kích từ phải có khả năng cưỡng bức điện áp Khi rôtor tăng tốc độ đối với từ thông stator, góc rôtor tăng lên do mômen cơ cao hơn mômen điện Hệ thống kích từ phải tăng kích từ lên bằng cách cho điện áp trên điện áp kích từ định mức tới các máy phát càng nhanh càng tốt Ngượi lại, khi góc rôtor giảm đi

do mômen cơ thấp hơn mômen điện, hệ thống kích thích phải giảm kích từ đi bằng việc cho điện áp dưới điện áp kích từ định mức tới các máy phát nhanh nhất có thể

P M

O

On dinh du momen can

(Hình 1.3) minh họa cho một trường hợp điển hình phản ứng của một

máy phát trong điều kiện sự cố Bắt đầu tại một điểm vận hành ban đầu (điểm 1), một sự cố truyền tải làm cho đầu ra điện áp của máy phát Pe bị giảm đi Sự lệch nhau giữa công suất điện từ và công suất cơ làm cho rôtor máy phát tăng

công suất điện được giữ ở mức phù hợp với điểm trên đường cong góc công suất (điểm 3) Sau khi khắc phục sự cố, công suất điện đầu ra của máy phát trở nên lớn hơn so với công suất cơ Điều mày sẽ làm giảm tốc độ tuabin (điểm 4) Nếu có đủ mômen hãm sau khi khắc phục sự cố, máy phát sẽ ổn định tạm thời ở mức ban đầu và sẽ quay dần trở lại điểm vận hành Nếu

đồng bộ mất đi

Ổn định hệ thống phụ thuộc vào thời gian khắc phục sự cố trong hệ thống truyền tải Thời gian khắc phục sự cố nhanh hơn làm cho việc tăng tốc của rôtor sẽ nhanh hơn nhiều, đảm bảo khôi phục đủ các mômen đồng bộ với độ

an toàn rất lớn ảnh hưởng này làm tăng nhu cầu cần lắp đặt cho các thiết bị rơle bảo vệ tác động nhanh nhất nhằm bảo vệ được đường truyền tải điện

1.4.3 Tác động của hệ thống kích từ đối với sự ổn định

0

P Pmax

P M

O

Cong suat tua bin

May phat mat dong bo

P E

B A

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tác động nhanh đến hệ thống kích từ

Duy trì ổn định hệ thống điện cũng phụ thuộc tốc độ đáp ứng và khả năng cưỡng bức của hệ thống kích từ Tăng khả năng cưỡng bức và giảm thời gian

đáp ứng sẽ làm tăng độ ổn định Tác động này được minh hoạ trong (hình 1.4),

với mức cưỡng bức thấp hơn, mức đáp ứng chậm hơn So sánh khu vực bên dưới đường cong A với quá trình tăng tốc độ khi phụ tải điện thấp hơn phụ tải

cơ vớí khu vực bên dưới đường cong A với quá trình giảm tốc độ chỉ ra rõ ràng rằng thiết bị này sẽ mất đi sự đồng bộ Đường cong B đại diện cho bộ kích từ với khả năng cưỡng bức nhanh hơn và cao hơn, đủ để cho phép máy phát khôi phục được sự đồng bộ Tác động này là nguyên nhân cần thiết lắp đặt các bộ kích từ đáp ứng đủ nhanh để đảm bảo ở mức cao nhất tránh mất đồng bộ tạm thời

Thực tế, hệ thống kích từ tác động nhanh có thể giảm khả năng triệt tiêu các dao động bởi vì nó có thể làm giảm đi các mômen hãm Với các hệ thống kích từ cơ điện cũ, đáp ứng tức thời tương đối chậm so với các hệ thống ngày nay Đáp ứng chậm này có tác động tối thiểu hóa tác động làm giảm mômen hãm

1.4.4 Ổn định các tín hiệu nhỏ

ổn định tín hiệu nhỏ được định nghĩa như khả năng của hệ thống điện để duy trì ổn định khi có sự xuất hiện của các tác động nhỏ Những tác động nhỏ này có thể thay đổi rất ít về phụ tải hay máy phát trong hệ thống Nếu mômen hãm không đủ, kết quả có thể là làm cho các dao động góc rôtor thay đổi với biên độ lớn hơn Các máy phát trong mạng sử dụng các điều khiển điện áp tự động khuếch đại lớn có thể tạo nên việc thiếu hãm đối với các dao động hệ thống Như chúng ta đã nói đến trong phần trước về sự thay đổi các mômen điện

nguy cơ sự cố Mặt khác, mômen hãm có được do trễ pha hay sớm pha của các dòng kích từ

Có ba loại dao động được thử nghiệm với các máy phát và lưới điện, bao gồm:

Dao động máy phát làm việc song song: Những dao động liên quan đến

hai hoặc nhiều hơn các máy đồng bộ trong một nhà máy điện hoặc các nhà máy gần nhau Các máy quay với nhau, với tần số dao động trong khoảng 1,5 đến 3 Hz

Hình 1.5 Dao động máy phát điện làm việc song song

Các dao động cục bộ: Những dao động này thường liên quan đến một

hoặc nhiều hơn các máy đồng bộ taih một trạm điện cùng quay với nhau khi

so với một hệ thống điện lớn hay trung tâm tải Tần số dao động trong khoảng 0,7 đến 2 Hz Những dao động này gây khó khăn khi nhà mát ở tải cao với hệ thống đường truyền điện kháng cao

Hình 1.6 Dao động cục bộ

Các dao động liên khu vực: Những dao động này thường liên quan đến

việc kết hợp rất nhiều máy tại một phần của một hệ thống điện đối với các máy tại các phần khác của hệ thống điện Tần số những dao động liên khu vực thường trong dải nhỏ hơn 0,5 Hz

Hình 1.7 Dao động liên khu vực

Các hệ thống kích từ được cài đặt để hỗ trợ việc nâng cao ổn định tức thời có thể tạo ra một trong các loại dao động này Những hệ thống này phát điện ra thay đổi về điện áp do thay đổi tải lên đến 10 lần nhanh hơn so với các

hệ thống trướng đây Do vậy, các dao động nhỏ của máy phát làm cho hệ thống kích từ có thể khắc phục ngay lập tức Tuy nhiên, do độ tự cảm cao của các máy phát, tỉ lệ dòng điện thay đổi được hạn chế Điều này được coi như hiện tượng “trễ” trong chức năng điều khiển Do đó, từ khi phát hiện một thay đổi mong muốn tới các bộ phận của thiết bị, trễ về thời gian là điều không thể tránh khỏi Trong quá trình trễ này, tình trạng của hệ thống dao động sẽ thay đổi, tạo nên một điều chỉnh kích từ mới Kết quả là hệ thống kích từ có xu hướng chậm sau nhu cầu về sự thay đổi, trợ giúp các đặc trưng dao động cố hữu của các máy phát kết nối với lưới điện

Một giải pháp để nâng cao chất lượng của hệ thống này và các hệ thống lớn hơn nói chung đó là phải thêm các đường truyền song song để giảm điện

kháng giữa các máy phát và trung tâm phụ tải Giải pháp này rất nổi tiếng nhưng thường không thể chấp nhận vì chi phí quá cao khi xây dựng các đường truyền tải Một giải pháp thay thế đó là bộ ổn định công suất (PSS) hoạt động thông qua các bộ điều chỉnh điện áp Đầu ra kích từ được điều chỉnh để cung cấp mômen hãm cho hệ thống

1.4.5 Bộ ổn định công suất (PSS)

PSS là một thiết bị tăng mômen hãm các dao động cơ điện trong máy phát Các thiết bị này được dùng cho các máy lớn trong vài thập kỷ qua, cho phép sử dụng để cải tiến các hạn chế vận hành cưỡng bức ổn định

Khi bị tác động bởi một sự thay đổi đột ngột trong điều kiện vận hành, tốc độ và công suất của mát phát sẽ thay đổi xung quanh điểm vận hành trạng thái ổn định Mối quan hệ giữa những đại lượng này có thể được diễn tả bởi

Các mômen cơ và điện gần như bằng nhau về mặt giá trị trong mỗi thiết

bị Công thức chỉ ra rằng khi có tác động của lực cân bằng, rôtor tăng tốc theo

tỉ lệ mômen tác động trong rôtor chia hằng số quán tính của tuabin

Phương trình (1.3) có thể được viết lại khi có sự thay đổi về điểm vận hành:

Từ phương trình (1.4) có thể nhận ra rằng với giá trị dương của Ms, thành phần của mômen đồng bộ thay đổi tỉ lệ nghịch với góc rôtor từ điểm cân bằng (ví dụ góc rôtor tăng lên sẽ kéo theo sự thay đổi về giảm mômen đồng bộ, làm cho thiết bị chậm dần, cho tới khi góc rôtor khôi phục điểm cân bằng,  = 0)

nghịch với tốc độ rôtor so với điểm vận hành ổn định Một máy phát sẽ duy trì sự ổn định miễn là có đủ sức tác động của các mômen đồng bộ và mômen hãm hoạt động trong các rôtor dưới mọi điều kiện vận hành

1.4.6 Triệt tiêu các dao động cơ điện

Với hệ số hãm có các giá trị dương, và công suất đầu vào là hằng số, sự thay đổi của góc quay rôtor theo các nhiễu nhỏ sẽ có dạng một hãm hình sin Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số hãm của một máy phát đồng bộ bao gồm: kiểu thiết kế mày phát, công suất của máy so với lưới điện mà nó tham gia và

hệ thống kích từ Khi nhiều máy phát có hệ số hãm hợp lý trong các điều kiện vận hành bình thường, chúng vẫn có thể dẫn đến các hệ số hãm thấp dưới mức cho phép Trong các trường hợp đặc biệt, hệ số hãm có thể mạng giá trị

âm, gây ra các dao động điện cơ tăng dần, thậm chí còn gây ra mất đồng bộ Dạng mất ổn định này thường gọi là mất ổn định tín hiệu nhỏ hay mất ổn định dao động

Bằng cách bổ sung bộ ổn định công suất vào hệ thống có đáp ứng kích từ ban đầu lớn, thì sẽ đạt được mômen đồng bộ cao hợn và khắc phục được hiện tượng giảm mômen hãm Chức năng của hệ thống ổn định công suất là ngăn chặn bất cứ dao động nào bằng cách gửi tín hiệu để thay đổi kích từ vào đúng thời điểm ngăn cản hình thành dao động Nguyên nhân làm giảm hệ số hãm là chậm pha do các hằng số thời gian và các trễ trong vòng điều chỉnh điện áp bình thường Vì vậy, PSS (bộ ổn định công suất) sử dụng bù pha để điều chỉnh thời điểm gửi tín hiệu để ngăn chặn các dao động tạo ra từ rôtor máy phát

Hệ thống ổn định công suất có thể làm tăng hệ số hãm của máy phát, do

đó cho phép máy phát có thể vận hành trong mọi điều kiện mà việc triệt tiêu dao động một cách tự nhiên là không đủ

1.4.7 Nguyên lý hoạt động của bộ ổn định công suất (PSS)

Có thể làm thay đổi ngắn hạn công suất điện phát ra của máy phát Các

bộ kích thích có tốc độ phản ứng nhanh đi kèm với bộ tự động điều chỉnh điện

áp (AVR) có hệ số khuếch đại cao và cưỡng bức để tăng hệ số đồng bộ

ổn định trạng thái tĩnh Có điều không tốt là khi cải thiện mômen đồng bộ thường xuyên tổn hao mômen hãm, kết quả làm giảm mức độ ổn định của các dao động nhỏ hoặc tín hiệu nhỏ Để chống lại hiệu ứng này, nhiều máy phát

sử dụng AVR có hệ số khuếch đại cao thường được trưng bị thêm các bộ ổn

1.4.8 Kết luận chương I

Chương này đã trình bày khái quát về hệ thống tự động điều chỉnh kích

từ, ổn định công suất của hệ thống điện, các loại dao động thường khảo sát với hệ thống điện Trong chương tiếp theo sẽ trình bày chi tiết mô hình toán học máy phát điện đồng bộ, chương III sẽ tìm hiểu cấu trúc, ưu nhược điểm của từng loại hệ thống kích từ, bộ ổn định công suất

Chương II MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC

MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1 Máy phát điện đồng bộ

2.1.1 Giới thiệu chung

Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôtor n bằng tốc độ quay của từ

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện công nghiệp, trong đó động cơ sơ cấp là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước Với công nghệ chế tạo hiện đại, công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng trăm MW hoặc lớn hơn Máy phát thường tuabin hơi có tốc độ quay lớn

do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục quay đặt nằm ngang Trong khi đó, mấy phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và trục được đặt thẳng đứng Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng động cơ điêzel làm động cơ sơ cấp và gọi là máy phát điện điêzel Máy phát điện điêzel thường

có cấu tạo cực lồi Các máy phát điện thường được sử dụng là việc song song với nhau, nhưng cũng có thể làm việc độc lập ở các lưới điện công suất nhỏ

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ

Theo tài liệu [9] cho dòng điện kích từ một chiều vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường của rôto

sẽ cắt qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứng một điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng là:

Khi dây quấn nối với tải, trong các dây quấn stato sẽ có dòng điện xoay chiều Hệ thống dòng điện ba pha trong ba dây quấn stato sẽ tạo nên từ trường quay với tốc độ bằng tốc độ quay của rôto n:

2.1.3 Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ

Dây quấn nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải Dòng điện I trong

theo tính chất của tải mà trục từ trường phần ứng sẽ làm thành một góc nhất định với từ trường cực từ Như vậy, tác dụng của từ trường phần ứng với từ trường cực từ hay phản ứng phấn ứng sẽ mang tính chất khác nhau tùy thuộc tính chất trở, dung hay cảm của tải

Trường hợp tải thuần trở góc lệch pha  = 00, E0 và I cùng pha Dòng

trục, làm méo từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng ngang trục

làm giảm từ trường tổng

Trường hợp tải thuần dung góc lệch pha  = - 900, dòng điện I sinh ra từ

trợ từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng

Trường hợp tải hỗn hợp ta phân tích dòng điện I làm hai thành phần: thành phần dọc trục Id = I sin  và thành phần ngang trục Iq = I cos , dòng điện I sinh ra từ trường phần ứng vừa có tính chất ngang trục vừa có tính chất dọc trục trợ từ hoặc khử từ tùy theo tính chất của tải có tính điện cảm hoặc có tính điện dung

2.1.4 Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ

ở tải đối xứng ta có thể xét riêng rẽ từng pha và có thể rút ra phương trình

U = E - I(rư + jxư) (2.4)

Trong đó:

U Là điện áp đầu cực

rư và xư Là điện trở và điện tản từ của dây quấn phần cứng

Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ Ft và từ trường Fư sinh

và Fư độc lập sinh ra trong dây quấn máy phát các sức điện động E0, Eư và ứng dụng nguyên lý xếp chồng, ta có:

Fư và từ thông tổng khe hở F sau đó suy ra sức điện động E

Xét trường hợp mạch từ máy phát không bão hòa: ở máy cực lồi, vì khe

hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta phải phân tích ảnh của phản ứng phần ứng theo hướng dọc trục và ngang trục Từ trường phản ứng phần ứng dọc và ngang trục tạo nên sức điện động dọc và ngang trục:

Eưd = -jId.Xưd

Trong đó: Xưd và Xưq là điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục

Eud

Euq

-Iru-jx

Hình 2.1 Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi ở tải có tính

cảm (a) và ở tải có tính dung (b)

Ta viết được phương trình cân bằng sức điện động có dạng:

U = E0 + Eưd + Eưq – I(rư +jxư) = E0 – jIdxưd – jIq xưq – Ijxư – Irư (2.7)

xưd + xư = xd là điện kháng đồng bộ dọc trục

xưq + xư = xq là điện kháng đồng bộ ngang trục

Phương trình (2.8) tương ứng với đồ thị vectơ (Hình 2.1) ta thấy góc

lệch pha điện áp U và sức điện động E0 do tải quyết định

Đối với máy phát cực ẩn là trường hợp đặc biệt của máy phát cực lồi:

E0

-jIx

Hình 2.2 Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực ẩn ở tải có tính

cảm (a) và ở tải có tính dung (b)

2.1.5 Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ

Hình 2.3 Đồ thị đặc tính góc công suất tác dụng P =f() của máy phát cực ẩn

(a), máy phát cực lồi (b) Đối với máy đồng bộ cực ẩn, Xd = Xq nên:

định khi  trong khoảng 0 /2; khi tải định mức  = 200  300

b Công suất phản kháng

Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực lồi là:

Q = mUIsin = mUIsin( - )

= mU(Idcos - Iqsin) Thay (1.14) vào ta được:

0 O 30 O 60 O 90 O 0,4

0,8 Q[p.u]

Hình 2.4 Đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát điện cực lồi

Có thể coi máy phát đồng bộ cực ẩn là một trường hợp đặc biệt của máy phát điện cực lồi với Xd = Xq = Xđb do đó công suất phản kháng của máy phát cực ẩn:

2.1.6 Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng

a Điều chỉnh công suất tác dụng

Trong trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cùng lớn, khi đó điện áp và tần số của hệ thống không đổi Nếu giữ

góc ở điểm A trên (Hình 2.5) Theo đó, muốn điều chỉnh công suất tác dụng

công suất cơ trên trục máy Công suất tác dụng cực đại mà máy phát điện có thể cung cấp cho hệ thống điện ứng với khi dP/d = 0

Như vậy thì với máy phát điện cực ẩn thì m = 900 và:

0

m

d

mUE P

X

Tương tự, đối với máy phát cực lồi, ta tính được m và Pm theo các biểu thức sau:

8 cos

Hình 2.5 CSTD và công suất chỉnh bộ của máy phát điện đồng bộ cực lồi

Điều đặc biệt chú ý khi điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát điện là phải đảm bảo điều kiện làm việc ổn định tĩnh: 0 <  < m trên (Hình 2.5)

sau đó lại quay trở về trị số ban đầu thì rôto của máy phát điện sẽ quay nhanh

sau vài chu kì dao động Trong khi đó, nếu máy phát làm việc tại các điểm xác lập B ứng với 2 > m thì sau khi công suất cơ tăng lên góc  sẽ tăng lên một lượng  làm cho công suất điện của máy phát suy giảm khiến cho: Pcơ >

đồng bộ với lưới

Trên cơ sở lý luận đó, ta có thể thấy rằng muốn giữ máy phát điện làm việc ổn định trong quá trình điều chỉnh P phải đảm bảo điều kiện:

0

dP

giữ cho máy phát làm việc đồng bộ trong lưới, ký hiệu: Pcb Với máy phát điện cực lồi:

những nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa ra lưới điện giảm theo nhưng vẫn duy trì được đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công suất định mức Pđm ứng với  < 300

Trường hợp các máy phát điện có công suất tương tự làm việc song song: Giả sử có hai loại máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song Trong điều kiện tải của lưới không đổi, khi tăng công suất tác dụng của một máy mà không giảm công suất tác dụng của máy kia thì tần số của lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân bằng mới được thiết lập dẫn đến các hộ tiêu thụ điện phải làm việc trong điều kiện tần số khác giá trị định mức Chính

vì vậy, để giữ cho tần số không đổi khi tăng công suất tác dụng của một máy thì phải giảm công suất tác dụng của máy kia

b Điều chỉnh công suất phản kháng

Trong trường hợp máy phát điện đồng bộ làm việc trong lưới điện vô cùng lớn, ta xem xét việc điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát cực

ẩn khi công suất tác dụng của máy được giữ không đổi Để đơn giản, ta bỏ qua điện trở phần ứng

Từ biểu thức công suất phản kháng (2.19)

Khi giữ U, f và P không đổi thì:

Nếu E0cos < U thì Q < 0 máy nhận công suất phản kháng từ lưới điện

để tạo ra từ trường (máy thiếu kích từ)

Nếu E0cos = U thì Q = 0 máy chỉ phát ra công suất tác dụng

Nếu E0cos > U thì Q > 0 máy phát ra công suất phản kháng cung cấp cho tải (máy quá kích từ)

Từ các công thức trên , muốn thay đổi công suất phản kháng, phải thay đổi E0 nghĩa là phải thay đổi điều chỉnh dòng điện kích từ

E0

E'0

-jI'x-jIx

Hình 2.6 Điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ

Do giả thuyết P = mUIcos = OA là không đổi cùng với điều kiện

U = const nên trong quá trình thay đổi Q thì đầu mút của vectơ I luôn nằm trên đường thẳng 1 (vuông góc với U) Với mỗi giá trị của dòng tải I, ta sẽ có

Với mỗi giá trị số P = const, thay đổi Q và vẽ đồ thị vectơ của sức điện động E0 ta xác định được mối quan hệ I = f(It) được gọi là đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ Thay đổi trị số của P, ta sẽ xác định được họ đặc tính

Qua kich thich

t Thieu kich thich

Hình 2.7 Họ các đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ

Trên (Hình 2.7), đường cong Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc

việc quá kích thích với tải mang tính cảm của máy phát Đường Bn là giới hạn làm việc ổn định với lưới khi máy làm việc ở chế độ thiếu kích thích

Những phân tích trên đều áp dụng được cho máy phát điện đồng bộ cực lồi Trong những trường hợp công suất của hệ thống điện nhỏ (ví dụ chỉ có hai máy phát có công suất bằng nhau làm việc song song) Nếu tăng dòng kích từ của một máy mà giữ nguyên dòng kích từ của máy còn lại thì sẽ làm cho tổng công suất phản kháng của hệ thống tăng lên Điều đó dẫn đến điện

áp của cả hệ thống bị thay đổi gây ảnh hưởng xấu đến các hộ tiêu thụ điện Chính vì vậy, để duy trì trạng thái làm việc bình thường của lưới điện với U = const, khi tăng dòng điện kích thích của một máy thì phải giảm dòng kích thích của máy phát còn lại Nhờ đó, công suất phản kháng của hai máy sẽ được phân phối lại

c Giới hạn công suất của máy phát đồng bộ