6. Kết luận
3.2.2. Quan hệ giữa điều chỉnh tần số và cụng suất tỏc dụng
Nhƣ ta đó biết, tần số là một trong những chỉ tiờu chung về chất lƣợng điện năng của toàn hệ thống, vỡ trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bỡnh thƣờng, tần số ở mọi điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cõn bằng giữa tổng cụng suất tỏc dụng của cỏc động cơ sơ cấp (tua bin) kộo mỏy phỏt điện với phụ tải tỏc dụng của hệ thống điện. Cõn bằng cụng suất tỏc dụng trong hệ thống điện ở chế độ bỡnh thƣờng [8,15]:
PT = Ppt + (3.3) Trong đú:
PT: Cụng suất của tuabin kộo mỏy phỏt. Ptp: Cụng suất của phụ tải điện.
51 Mụ men kộo của tuabin (3.4):
(3.4) Trong đú:
: Hằng số
Q: Lƣu lƣợng nƣớc vào tua bin
H: Độ chờnh ỏp suất đầu và cuối tua bin.
: Hiệu suất tua bin
Tần số f của dũng điện phụ thuộc vào tốc độ gúc của mỏy phỏt điện theo quan hệ (3.5):
(3.5) Trong đú:
p: Số đụi cực của mỏy phỏt điện n: Số vũng quay của mỏy phỏt điện
Tải sử dụng điện của hệ thống tạo nờn mụ men cản trờn trục tua bin, cụng suất của từng loại phụ tải điện khỏc nhau, phụ thuộc vào tần số dũng điện theo những quan hệ khỏc nhau. Chẳng hạn cụng suất tiờu thụ bởi cỏc đốn sợi nung và cỏc loại phụ tải nhiệt hầu nhƣ khụng phụ thuộc vào tần số, cụng suất tiờu thụ bởi động cơ của mỏy múc gia cụng kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Cụng suất của cỏc loại bơm, quạt tựy theo kết cấu, độ nghiờng của cỏnh cú thể phụ thuộc bậc hai, bậc ba vào tần số...
Núi chung, đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tựy theo tƣơng quan giữa cỏc thành phần phụ tải mà quan hệ giữa cụng suất tỏc dụng và tần số sẽ thay đổi.
(3.6) Trong đú:
f, ΔP: Tƣơng ứng là sự thay đổi của tần số và cụng suất tỏc dụng. fdd, Pdd: Tần số và cụng suất danh định.
52
Để thấy rừ sự thay đổi tƣơng quan giữa cụng suất tỏc dụng và tần số ta khảo sỏt đƣờng đặc tớnh tĩnh của tua bin và của phụ tải.
Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mụ men quay ΔM = ΔP/Δ của phụ tải. Quan hệ này đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong 1' (hỡnh 3.2) đặc trƣng cho đặc tớnh tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện đƣợc xỏc định tại điểm cắt O1 của đặc tớnh tua bin (đƣờng 1) và đặc tớnh phụ tải (đƣờng 1') ở đú mụ men kộo của tua bin cõn bằng với mụ men cản của phụ tải M1.
Hỡnh 3.2: Đƣờng đặc tớnh tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’)
Khi số lƣợng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tớnh tĩnh của phụ tải (1’) sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thờm phụ tải, đặc tớnh này sẽ bị dịch chuyển sang bờn phải (đƣờng 2’) và sẽ cắt đặc tớnh tua bin tại điểm O3, tƣơng ứng với tần số f3. Khi cắt bớt phụ tải, đặc tớnh phụ tải (1’) sẽ bị dịch chuyển sang trỏi (đƣờng 3’) và sẽ cắt đặc tớnh tua bin (đƣờng 1) tại O2, tƣơng ứng với tần số f2.
Nhƣ vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi một lƣợng (3.7): (3.7) Để đảm bảo chất lƣợng điện năng, khụng cho phộp tần số của hệ thống thay đổi nhiều. Vỡ vậy, khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay đổi đặc tớnh tĩnh của tua bin. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tớnh tĩnh của tua bin sang phải (đƣờng 2). Khi ấy điểm cắt nhau giữa đặc tớnh tua bin (đƣờng 2) và phụ tải (đƣờng 2’) tại O4 tƣơng ứng với tần số f4>f3. Tƣơng tự, khi phụ
f5 f2 f4 f3 M1 f1 M2 M3 M4 M5 Đặc tính điều chỉnh tua bin 01 02 05 04 03 M f 0 3 1 2 1' 2' 3'
53
tải giảm ta phải dịch chuyển đặc tớnh tua bin sang trỏi (đƣờng 3) và điểm cắt nhau giữa đặc tớnh tua bin (đƣờng 3) và phụ tải (đƣờng 3’) tại O5 tƣơng ứng với tần số f5<f2. Nhờ sự dịch chuyển đặc tớnh tua bin mà độ lệch tần số:
(3.8) Tập hợp cỏc điểm O5, O1, O4 hỡnh thành đặc tớnh điều chỉnh của tua bin f(M) hoặc f(P).
Đặc tớnh điều chỉnh của tua bin đƣợc đặc trƣng bằng hệ số phụ thuộc tƣơng đối (cũn đƣợc gọi là hệ số tĩnh) (3.9) Thụng thƣờng S* của đặc tớnh điều chỉnh tua bin trong hệ thống điện nằm trong giới hạn S*= 0,02 ữ 0,06. Trị số càng bộ càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là với một mức biến đổi cụng suất nhƣ nhau, thỡ mức biến đổi của tần số trong hệ thống cú S* bộ hơn sẽ ớt biến đổi hơn. Điều chỉnh tần số (hay số vũng quay) của tua bin đƣợc thực hiện bằng cỏch thay đổi lƣu lƣợng nƣớc (năng lƣơng) vào tua bin, nú liờn quan trực tiếp tới tiờu hao năng lƣợng, nhiờn liệu và là một bài toỏn tối ƣu húa phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣ đặc tớnh tiờu hao nhiờn liệu của tổ mỏy, chi phớ vận hành của nhà mỏy điện, tổn thất cụng suất trờn lƣới khi thay đổi phƣơng thức huy động cụng suất của cả nhà mỏy điện.
Nhƣ vậy, điều chỉnh tần số trong hệ thống điện liờn quan hữu cơ với việc điều chỉnh và phõn bố cụng suất tỏc dụng giữa cỏc tổ mỏy và nhà mỏy điện trong hệ thống điện. Hệ thống điện càng lớn, yờu cầu về độ chớnh xỏc điều chỉnh tần số càng cao, vỡ độ lệch tần số sẽ ảnh hƣởng tới trào lƣu cụng suất giữa nhiều nhà mỏy điện và giữa cỏc khu vực khỏc nhau của hệ thống. Do đú, trung tõm điều động hệ thống điện xuất phỏt từ điều kiện vận hành tối ƣu của hệ thống, từ đú đƣa ra phƣơng thức huy động cụng suất của từng nhà mỏy điện, cụng suất trao đổi giữa cỏc đƣờng dõy liờn lạc cần đƣợc khống chế trong cỏc tỡnh huống vận hành khỏc nhau.
54
3.2.3. Tỏc động tương hỗ giữa cỏc bộ điều tốc làm việc song song.
Khi cỏc mỏy phỏt điện làm việc song song trong hệ thống điện chỳng cú tần số giống nhau và giữa cỏc mỏy phỏt cú một sự phõn bố xỏc định về cụng suất tỏc dụng (hỡnh 3.3).
Hỡnh 3.3: Phõn bố phụ tải giữa cỏc tổ mỏy làm việc song song khi tần số thay đổi [8,15]
Khi phụ tải thay đổi một lƣợng ΔP làm cho tần số thay đổi một lƣợng Δf = f − fo (fo là tần số trƣớc khi phụ tải thay đổi) thỡ cụng suất của mỏy thứ nhất thay đổi một lƣợng ΔP1 cũn mỏy phỏt thứ hai thay đổi một lƣợng ΔP2 với: ΔP1 +ΔP2 = ΔP. Từ hỡnh vẽ trờn ta thấy, mỏy phỏt điện nào cú đặc tớnh điều chỉnh f(P) ớt dốc hơn mỏy đú sẽ cú lƣợng thay đổi phụ tải nhiều hơn. Phƣơng trỡnh đặc tớnh điều chỉnh tĩnh cú dạng:
Δf + s.ΔP = 0 (3.10) Do đú khi cú n tổ mỏy làm việc song song ta cú hệ phƣơng trỡnh:
Δf + s1.ΔP1 = 0 (3.11) Δf + s2.ΔP2 = 0
…
Δf + sn.ΔPn = 0 Với ràng buộc: ΔP1 + ΔP2 +…+ΔPn = ΔP
Từ đõy ta tớnh đƣợc lƣợng cụng suất thay đổi của tổ mỏy thứ j là:
∑ (3.12) P1 f 0 P2 f 0 P11 P12 P21 P22 f1 f2
55
Phụ tải phõn bố giữa cỏc tổ mỏy tỷ lệ nghịch với hệ số tĩnh của đặc tuyến điều chỉnh, tổng cụng suất của cỏc tổ mỏy phụ thuộc vào tần số. Tuy nhiờn, bản thõn phụ tải cũng phụ thuộc vào tần số, khi tần số thay đổi trong một phạm vi khụng lớn, cụng suất của phụ tải cú thể xem nhƣ phụ thuộc tuyến tớnh vào tần số. Khi cỏc mỏy điều tốc tua bin cú đặc tớnh phụ thuộc, nếu phụ tải tổng tăng làm cho tần số của hệ thống giảm, tần số giảm kộo theo cụng suất tiờu thụ của phụ tải giảm.
3.2.4. Ảnh hưởng của ngưỡng khụng nhậy lờn tỏc động tương hỗ của cỏc bộ điều tốc tua bin
Cỏc mỏy điều tốc thực tế đều cú một ngƣỡng khụng nhạy nhất định, chủ yếu do ma sỏt ở cỏc ổ trục và của bản thõn cỏc bộ phận trong cơ cấu điều chỉnh. Vỡ vậy, ở trạng thỏi cõn bằng ban đầu tƣơng ứng với một tốc độ quay nào đú, muốn cho mỏy điều tốc phản ứng đƣợc với độ lệch tốc độ Δ , thỡ Δ phải vƣợt quỏ một ngƣỡng nhất định gọi là ngƣỡng khụng nhậy của mỏy điều tốc.
Đặc tớnh điều chỉnh với ngƣỡng khụng nhạy trỡnh bày (hỡnh 3.4) dƣới dạng một miền khụng nhậy, khi cú ngƣỡng khụng nhậy, việc phõn bố cụng suất giữa cỏc tổ mỏy sẽ tồn tại một khoảng khụng xỏc định ΔP.
(3.13) Trong đú:
Pdd: cụng suất danh định của tổ mỏy, MW; ΔfKn: ngƣỡng khụng nhậy theo tần số, %; S: hệ số phụ thuộc, %;
Vựng bất định (P1, P2) của phụ tải tổ mỏy do ngƣỡng khụng nhậy của mỏy điều tốc.
Chẳng hạn, khi s = 5%, ΔfKn = 0,25% đối với tổ mỏy cú cụng suất Pdd = 3Mw mức khụng xỏc định của phụ tải sẽ bằng:
56
Hỡnh 3.4: Đặc tớnh điều chỉnh với ngƣỡng khụng nhạy
Ngƣỡng khụng nhậy của đặc tớnh điều chỉnh làm cho một số tổ mỏy khụng tham gia vào điều chỉnh tần số.
Để nõng cao chất lƣợng điều chỉnh tần số cần giảm hệ số phụ thuộc S của đặc tớnh điều chỉnh, tuy nhiờn, khi hệ số phụ thuộc giảm, mức khụng xỏc định của phụ tải tăng lờn. Vỡ vậy, đối với cỏc mỏy điều tốc cú ngƣỡng khụng nhậy cao bắt buộc phải đặt hệ số phụ thuộc cao.
Khi cú nhiều tổ mỏy làm việc song song, chế độ cõn bằng của từng tổ mỏy sẽ đƣợc thiết lập một cỏch khỏc nhau trong giới hạn của ngƣỡng khụng nhậy. Trong số cỏc tổ mỏy này sẽ cú một số tổ mỏy phản ứng với độ lệch tần số, cú nghĩa là nhỡn chung toàn hệ thống sẽ khụng cú ngƣỡng khụng nhậy. Tuy nhiờn, khi độ lệch tần số khụng vƣợt quỏ ngƣỡng khụng nhậy của một số tổ mỏy, chỳng sẽ khụng phản ứng và khụng tham gia vào quỏ trỡnh điều chỉnh tần số, vỡ thế độ phụ thuộc đẳng trị của đặc tớnh điều chỉnh sẽ lớn hơn trị số tớnh đƣợc theo biểu thức (3.10). Thực tế điều này cú nghĩa là cần phải đƣa thờn một số hệ số hiệu chỉnh a >1 vào biểu thức (3.12), để tớnh đến ngƣỡng khụng nhậy của đặc tớnh điều chỉnh của một tổ mỏy trong hệ thống. ∑ (3.15) Thƣờng thỡ trong chế độ sự cố, độ lệch tần số vựơt quỏ ngƣỡng khụng nhậy của tất cả cỏc tổ mỏy trong hệ thống, cũn trong chế độ làm việc bỡnh thƣờng, Δf bộ nờn chỉ cú một số tổ mỏy cú ngƣỡng khụng nhậy hẹp mới cú thể phản ứng. Số
P f 0 P1 P2 f2 f1 f0
57
lƣợng tổ mỏy cú thể phản ứng theo độ lệch Δf đó cho cú thể đƣợc xỏc định theo biểu thức (3.16):
(
) (3.16) Trong đú: n – số lƣợng cỏc tổ mỏy đƣợc giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số của hệ thống.
3.2.5. Điều chỉnh và phõn phối cụng suất hữu cụng giữa cỏc mỏy phỏt làm việc song song phỏt làm việc song song
Bộ điều chỉnh cú đặc tớnh độc lập, duy trỡ tốc độ quay n hay tần số f của hệ thống khụng đổi khi phụ tải của mỏy phỏt thay đổi từ khụng tải đến định mức. Nhƣợc điểm của dạng điều chỉnh này là khụng thể cho một số mỏy phỏt làm việc song song vỡ sự phõn phối phụ tải giữa chỳng khụng xỏc định. Nếu 2 mỏy phỏt cú đặc tớnh điều chỉnh độc lập làm việc song song với nhau, thỡ ở tần số định mức mỗi mỏy sẽ cú một phụ tải nhất định nào đú, cũn khi tần số giảm xuống cả 2 bộ điều chỉnh đều tỏc động tăng tải cho mỏy phỏt của mỡnh nhằm để khụi phục tần số. Trong trƣờng hợp này, cỏc mỏy phỏt đƣợc tăng tải hoàn toàn tựy tiện và thậm chớ một mỏy phỏt cú bộ điều chỉnh nhạy hơn sẽ nhận hết tất cả phần phụ tải tăng thờm, cũn mỏy phỏt kia khụng đƣợc tăng tải, hoặc chỉ bắt đầu tăng tải khi nào phụ tải của mỏy phỏt thứ nhất đạt giỏ trị cực đại mà tần số vẫn khụng đƣợc khụi phục.
Việc ỏp dụng bộ điều chỉnh tốc độ quay cú đặc tớnh phụ thuộc cho cỏc mỏy phỏt làm việc song song sẽ đảm bảo sự làm việc ổn định của chỳng và sự phõn phối phụ tải định trƣớc.
Hệ số phụ thuộc đặc trƣng cho độ dốc của đặc tớnh điều chỉnh (hỡnh 3.5) biểu diễn hệ số phụ thuộc trong đơn vị tƣơng đối (đối với tần số định mức fđm và cụng suất định mức Pđm của mỏy phỏt). Nếu cỏc mỏy phỏt làm việc song song cú đặc tớnh điều chỉnh phụ thuộc thỡ độ thay đổi cụng suất tỏc dụng tổng sẽ đƣợc phõn phối giữa chỳng tỷ lệ nghịch với hệ số phụ thuộc của mỗi mỏy (hỡnh 3.5).
Thay đổi độ dốc của đặc tớnh cú thể đảm bảo phần đúng gúp cần thiết của mỏy phỏt trong việc điều chỉnh phụ tải của nhà mỏy điện. Nhƣợc điểm của dạng
58
điều chỉnh theo đặc tớnh phụ thuộc là khụng thể duy trỡ khụng đổi tần số của hệ thống.
Hỡnh 3.5: Đặc tớnh phối hợp cụng suất tỏc dụng giữa cỏc mỏy phỏt làm việc song song
3.3. Điều chỉnh tốc độ và ổn định cụng suất
Cỏc chƣơng trƣớc, chỳng ta đó tỡm hiểu về cỏc thiết bị trong nhà mỏy, gồm cả cỏc thiết bị cơ và điện, đặc biệt là tua bin thủy lực. Song bộ điều tốc là một trong cỏc thiết bị quan trọng trong nhà mỏy điện thủy triều, cú nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ tua bin đảm bảo cho tần số luụn luụn ổn định theo tiờu chuẩn. Vỡ vậy, mục này đi sõu tỡm hiểu nghiờn cứu về nhiệm vụ cũng nhƣ nguyờn lý hoạt động của bộ điều tốc.
3.3.1. Cỏc bộ điều tốc hiện nay
Cú nhiều loại điều tốc khỏc nhau, từ thuần tỳy là cơ khớ rồi đến điện tử số - thủy lực, cỏc mỏy điều tốc tua bin hiện đại hiện nay hay sử dụng: kiểu cơ thuỷ lực và điện thuỷ lực.
a) Bộ điều tốc cơ khớ
Bộ điều tốc cơ khớ thƣờng là bộ điều tốc con quay ly tõm cú đặc tớnh n = f(Mc) hữu sai khi cỏc tổ mỏy phỏt hoạt động song song và bộ điều tốc con quay ly tõm cú đặc tớnh vụ sai khi tổ mỏy phỏt chỉ hoạt động độc lập, khụng hoạt động song song.
Sơ đồ khối và chức năng cỏc bộ phận của bộ điều tốc cơ khớ hoạt động theo nguyờn tắc độ lệch (hữu sai và vụ sai).
59
Bộ điều tốc ly tõm cú đặc tớnh hữu sai:
Sơ đồ nguyờn lý bộ điều tốc ly tõm (hỡnh 3.6) cú đặc tớnh hữu sai.
Hỡnh 3.6: Sơ đồ nguyờn lý bộ điều tốc ly tõm cú đặc tớnh hữu sai
Để đo tốc độ của động cơ Diezel ngƣời ta dựng con quay ly tõm với quả văng A (hỡnh 3.6). Tốc độ quay càng lớn quả văng càng văng xa, để tạo tốc độ quay cho trƣớc n0, đặt một lũ xo tỡ lờn con chạy 1 và tạo một lực E cõn bằng với lực Ar của con chạy do lực ly tõm quả văng tạo nờn. Điều chỉnh lực nộn ban đầu của lũ xo E ta điều chỉnh bằng lực từ ngoài tỳ lờn lũ xo (bằng cơ, bằng khớ, thủy lực …). Khi điều chỉnh nhƣ vậy, ta điều chỉnh giỏ trị tốc độ cho trƣớc n0. Khi tốc độ quay của động cơ càng lớn lực Ar > E, con chạy 1 dịch chuyển một đoạn z cho đến lỳc nào Ar = E, đồng thời van trƣợt 3 của khuếch đại thủy lực chuyển dịch lờn phớa trờn một khoảng m, thụng dầu cú ỏp lực lớn tỳ lờn piston của động cơ trợ động và dịch chuyển một khoảng L để giảm nhiờn liệu làm giảm tốc độ. Nhờ cỏnh tay đũn BC nối với piston của động cơ trợ động (làm nhiệm vụ phản hồi cứng õm) van trƣợt của khuếch đại thủy lực lại chuyển dịch xuống phớa dƣới đúng cửa van khụng cho dầu cú ỏp lực cao vào động cơ trợ động thờm, piston của động cơ trợ động dừng lại.
Trƣờng hợp tốc độ động cơ giảm hiện tƣợng xảy ra ngƣợc lại. Đặc tớnh n = f(Mc) đƣợc biểu diễn trờn hỡnh 3.7: z Au Au Ar A Pn a C b B L m 1 2 3 4 5 6 E
60
Hỡnh 3.7: Đƣờng đặc tớnh điều chỉnh tốc độ (điều tốc ly tõm đặc tớnh hữu sai) Đƣờng 1 tƣơng ứng khi động cơ hoạt động khụng cú bộ điều tốc, đƣờng 2 tƣơng ứng khi động cơ hoạt động cú bộ điều tốc hữu sai. Sai số càng lớn khi tải càng lớn, cú thể thay đổi độ dốc bằng cỏch thay đổi tỷ số cỏnh tay đũn a/b (thay đổi