2. Hũa đồng bộ hai mỏy phỏt điện làm việc song song
2.1.3. Tớnh ổn định làm việc song song của cỏc mỏy phỏt điện đồng bộ trong hệ
hệ thống điện
Cỏc mỏy phỏt điện cú hai chế độ làm việc:
- Chế độ xỏc lập (CĐXL): Là chế độ làm việc với cỏc thụng số ổn định hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, cỏc thụng số chỉ biến thiờn nhỏ xung quanh giỏ trị ổn định. Đõy là chế độ làm việc bỡnh thường và lõu dài của cỏc mỏy phỏt điện trong hệ thống điện.
- Chế độ quỏ độ (CĐQĐ): Là chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khỏc. CĐQĐ thường diễn ra khi hũa đồng bộ, khi đúng cắt cỏc phụ tải cú cụng suất lớn hoặc CĐQĐ diễn ra sau sự cố.
CĐQĐ được gọi là bỡnh thường nếu nú tiến nhanh đến CĐXL mới. Trường hợp này, cỏc thụng số của hệ thống bị biến thiờn, nhưng sau một thời gian ngắn trở lại về xỏc lập.
CĐQĐ sự cố là chế độ diễn ra với cỏc thụng số của hệ thống biến thiờn mạnh sau đú tăng vụ hạn hoặc giảm về tới khụng.
Khi cỏc mỏy phỏt điện làm việc song song trong HTĐ, cần cỏc CĐQĐ bỡnh thường, để khi cú sự biến động của cỏc thụng số điện, mỏy cần nhanh chống chuyển sang CĐXL mới. Điều này liờn quan đến tớnh ổn định của mỏy phỏt điện khi làm việc song song.
Ổn định t nh là sự ổn định của mỏy phỏt điện liờn quan đến những biến động nhỏ của hệ thống. Những biến động nhỏ cú tớnh ngẫu nhiờn cú thể làm cho hệ thống mất ổn định hay khụng ổn định phụ thuộc vào tớnh ổn định t nh.
Ổn định động là quỏ trỡnh làm việc ổn định của mỏy phỏt điện dưới tỏc động của những kớch động lớn như đúng cắt tải đủ lớn hoặc đúng cắt mỏy phỏt cụng suất lớn trong HTĐ. Cỏc mỏy phỏt điện làm việc trong HTĐ phải đảm bảo sau một vài chu kỳ dao động mất đồng bộ, rotor mỏy phỏt điện lại trở về trạng thỏi đồng bộ.
2.1.3.1. Ổn định tĩnh của mỏy phỏt khi làm việc song song
Để hiểu rừ hơn về sự ổn định t nh của mỏy phỏt, ta xột trạng thỏi cõn bằng cụng suất tỏc dụng của mỏy phỏt điện làm việc song song với cỏc mỏy phỏt điện làm việc khỏc (xem như lưới điện).
Trờn hỡnh 2-11b vẽ đặc tớnh cụng suất điện từ của mỏy phỏt điện đối với một hệ thống điện đơn giản vẽ trờn hỡnh 2-11a.
Cụng suất kộo của động cơ sơ cấp được coi là khụng đổi (PT). Cũn cụng suất điện từ (cụng suất gõy mụmen cản) của mỏy phỏt điện cú dạng:
. sin M sin H p X U E p (2-8) Trong đú: X
Xf là điện khỏng đồng bộ của mỏy phỏt. XB là điện khỏng của mỏy biến ỏp. XĐ/2 là điện khỏng một mạch nối dõy.
là gúc lệch pha giữa vộc tơ s.đ.đ EMF
và điện ỏp lưới U, EMF
luụn gắn với trục rotor vỡ nú được định vị bởi trục từ trường kớch từ trờn rotor.
Cụng suất điện từ của mỏy phỏt vào lưới phụ thuộc gúc cụng suất . Tồn tại 2 điểm cõn bằng A và , ứng với gúc lệch 01 và 02.
) arcsin( 01 M T P P (2-9)
Điểm A là điểm cố định và tạo nờn chế độ xỏc lập. Tại điểm này, nếu xuất hiện một kớch động ngẫu nhiờn (sau đú bị triệt tiờu), làm cho lệch gúc khỏi giỏ trị xỏc lập một lượng, khi đú theo cỏc đặc tớnh cụng suất P() > PT, làm gúc lại giảm về điểm xỏc lập. Điểm A như vậy được gọi là điểm cõn bằng bền, tức là điểm cú tớnh ổn định t nh.
Điểm , với giả thiết (tăng), tương quan cụng suất sau kớch động là PT > P() làm gúc càng tăng lờn, làm rotor lệch xa hơn trạng thỏi cõn bằng. Nếu (giảm), tương quan cụng suất sau kớch động là PT < P() làm gúc càng giảm, nú sẽ trượt về điểm cõn bằng ổn định A. Như vậy tại điểm cõn bằng dự chỉ xuất hiện một kớch động nhỏ (sau đú kớch động triệt tiờu) thụng số hệ thống cũng thay đổi lệch xa khỏi trị số ban đầu. Vỡ thế điểm cõn bằng bị coi là khụng ổn định. Tớnh ổn định t nh của cỏc mỏy phỏt điện làm việc trong HTĐ cũn gọi là ổn định tại cỏc điểm cõn bằng (ổn định với những kớch động bộ).
Như vậy mỏy phỏt điện đồng bộ làm việc ở chế độ mỏy phỏt chỉ cú thể đảm bảo điều kiện làm việc ổn định t nh khi gúc cụng suất nằm trong phạm vi từ = 0 đến max /2 ứng với cụng suất P = 0 PM (thường PM 1,7Pđm). Cú thể nhận thấy rằng mỏy phỏt đồng bộ làm việc trong HTĐ cú tớnh ổn định t nh cao khi tải nhỏ (P Pđm). Cũn khi tải lớn (P > Pđm) thỡ tớnh ổn định t nh kộm đi. Thay đổi trạng thỏi làm việc của mỏy phỏt hay điều chỉnh cụng suất tỏc dụng của mỏy phỏt đối với hệ
thống liờn quan đến những điều kiện của đặc tớnh gúc cụng suất tỏc dụng của mỏy phỏt được thực hiện bằng sự thay đổi gúc trong phạm vi = 0 max.
Giới hạn ổn định t nh là một trong những điều kiện quan trọng để đỏnh giỏ tớnh ổn định làm việc của mỏy phỏt đồng bộ trong lưới điện.
Tuy nhiờn chế độ ổn định t nh của mỏy phỏt cũn cần phải thỏa món điều kiện về cõn bằng cụng suất phản khỏng (giữ điện ỏp hệ thống trong phạm vi cho phộp gần giỏ trị định mức). Khi đú cựng với việc thay đổi gúc , cần cú sự thay đổi dũng kớch từ của mỏy phỏt dựa theo đặc tớnh hỡnh V (xem hỡnh 2-12). Trong một số trường hợp khi cần nghiờn cứu về ổn định t nh của cỏc mỏy phỏt điện đồng bộ cú thể phải xột đến QTQĐ liờn quan đến những dao động nhỏ của rotor quanh giỏ trị xỏc lập.
Hỡnh 2-32: Đặc tớnh hỡnh V của mỏy phỏt đồng bộ
2.1.3.2. Ổn định động của mỏy phỏt khi làm việc song song
Ổn định động là xột đến tớnh ổn định của hệ thống khi vận hành song song cỏc mỏy phỏt điện đồng bộ liờn quan đến cỏc đặc trưng của QTQĐ diễn ra trong hệ thống sau những kớch động lớn.
Chẳng hạn với HTĐ trờn hỡnh 2-11, ban đầu hệ thống làm việc với hai đường dõy cú đặc tớnh gúc cụng suất trỡnh bày như đường cong 1 trờn hỡnh 2-13, điểm làm việc là 01. Nếu giả thiết một trong hai đường dõy bị cắt ra đột ngột thỡ sau khi
tớnh cụng suất mỏy phỏt hạ thấp xuống (đường cong 2). Điểm cõn bằng mà HTĐ cú thể làm việc xỏc lập sau sự cố là '
01
(điểm cõn bằng ổn định t nh). Tuy nhiờn việc chuyển từ 01 sang '
01
là QTQĐ diễn ra theo đặc tớnh động của hệ thống. Quỏ trỡnh diễn ra cú thể chuyển hệ thống về chế độ xỏc lập mới tại '
01
mà khụng phụ thuộc vào tớnh chất hệ thống và mức độ kớch động. Tại thời điểm đầu, do quỏn tớnh của rotor mỏy phỏt, gúc lệch chưa kịp thay đổi. Cụng suất điện từ nhanh chúng giảm xuống nhỏ hơn cụng suất động cơ sơ cấp (PT > P) làm mỏy phỏt quay nhanh hơn nờn gúc tăng dần lờn. Đến thời điểm gúc lệch bằng '
01
(xem hỡnh 2-13a) thỡ tương quan cụng suất trở nờn cõn bằng, tuy vậy gúc lệch vẫn tiếp tục tăng do quỏn tớnh. Thực chất quỏ trỡnh chuyển động quỏn tớnh này là động năng tớch lũy trong rotor được chuyển húa thành cụng thắng mụ men hóm.
Hỡnh 2-33: Biến động gúc theo thời gian
Đến thời điểm gúc lệch bằng max (xem hỡnh 2-13a) thỡ động năng tớch lũy được giải phúng hoàn toàn, gúc lệch khụng thể tăng được nữa và là thời điểm gúc lệch đạt cực đại. Sau thời điểm này, khụng cũn động năng mà P() > PT (mụ men hóm lớn hơn mụ men phỏt động), do đú rotor quay chậm lại, gúc giảm. Tiếp tục
phõn tớch ta nhận được quỏ trỡnh dao động của gúc . Nếu kể đến mụ men cản ma sỏt, quỏ trỡnh sẽ tắt dần về điểm cõn bằng '
01
của chế độ xỏc lập mới. Theo định ngh a CĐQĐ trong trường hợp này diễn ra bỡnh thường và hệ thống ổn định động.
Cũng với hệ thống trờn, ở trường hợp hỡnh 2-13b, đặc tớnh gúc cụng suất sau khi cắt một trong hai đường dõy sẽ hạ xuống thấp hơn. Trong trường hợp này khi gúc lệch tăng; nú khụng dừng lại ở trị số max trước khi đến điểm '
02
. Đú là vỡ cụng hóm (tỷ lệ với phần diện tớch gạch chộo giới hạn bởi đường cong 2 nằm trờn đường đặc tớnh cụng suất động cơ PT) nhỏ hơn động năng tớch lũy trước đú của rotor mỏy phỏt (tỷ lệ với phần diện tớch gạch chộo nằm dưới PT). Sau khi vượt quỏ '
02
, tương quan cụng suất lại đổi chiều PT > P nờn gúc lệch tiếp tục tăng. Dễ thấy tương quan cụng suất PT > P sẽ tồn tại tiếp tục với trị số vượt quỏ ngh a là tốc độ quay của mỏy phỏt bị mất đồng bộ. Hơn thế nữa quỏ trỡnh tiếp tục tớch lũy động năng vào rotor tới trị số rất lớn (tỷ lệ với diện tớch gạch chộo nằm dưới PT). Động năng này làm gúc tăng vụ hạn. Hệ thống mất ổn định.
QTQĐ mất ổn định động cú thể diễn ra tương tự khi phải cắt khỏi hệ thống một vài mỏy phỏt điện, khi đú đặc tớnh cụng suất phản khỏng bị giảm đột ngột. Sau thời điểm mỏy phỏt bị cắt, điện ỏp lưới U sẽ dao động về điểm cõn bằng mới hoặc giảm tới 0 phụ thuộc vào tớnh nặng nề của sự cố phải cắt nhiều hay ớt cụng suất của mỏy phỏt.
Như vậy cỏc QTQĐ của hệ thống liờn quan đến ổn định động của hệ thống cũng bao gồm cỏc QTQĐ điện cơ và cỏc QTQĐ điện từ và tớnh ổn định động cho thấy khả năng của hệ thống sau những kớch động lớn cú thể phục hồi được hay khụng trạng thỏi ban đầu hoặc trạng thỏi gần với ban đầu (trạng thỏi vận hành cho phộp).