PID KÉP ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Chương này trình bày về một bộ điều chỉnh điện áp với bộ điều khiển PID kép. Bộ điều khiển tác động nhanh được sử dụng kèm với bộ ổn định hệ thống điện được cho phép làm việc và bộ điều khiển tác động chậm được sử dụng khi bộ ổn định hệ thống điện bị cấm. Chuyển đổi từ một bộ điều khiển này đến bộ điều khiển khác được thực hiện tự động để khơng cĩ dao động mạnh khi bộ ổn định hệ thống điện thay đổi tín hiệu trạng thái. Hai bộ cài đặt hệ số được sử dụng cho việc điều chỉnh: vịng hồi tiếp cĩ hệ số khuếch đại nhỏ để sử dụng khi khơng cĩ bộ ổn định hệ thống điện (PSS) để thực hiện duy trì ổn định máy phát và bộ cĩ hệ số khuếch đại cao để sử dụng với PSS để hoạt động tốt với các thay đổi thống qua và ổn định động sau khi cĩ hiện tượng mất cân bằng.
4.1 MỞ ĐẦU
Trong các năm 1950 và đến các năm 1960, một vài nhà máy phát điện đã sử dụng với các bộ điều chỉnh điện áp tự động hoạt động liên tục. Một số nhà máy điện với các bộ điều chỉnh điện áp tự động đã chứng minh rõ ràng rằng đối với các hệ thống kích thích cĩ tính đáp ứng mạnh của các bộ điều chỉnh điện áp thì khơng ổn định hệ thống điện đối với các dao động điện cĩ biên độ nhỏ và tần số thấp chúng thường được duy trì trong thời gian dài. Trong một vài trường hợp, điều này đã gây ra giới hạn về tổng cơng suất cho phép được truyền trong hệ thống điện. Các bộ ổn định hệ thống điện đã phát triển để cải thiện quá trình tắt dần của các dao động điện đĩ bởi việc điều chỉnh kích thích cung cấp cho máy điện đồng bộ.
Ổn định thống qua là được quan tâm đầu tiên vì nĩ xuất hiện ngay sau khi một đường dây phân phối mất cân bằng kéo theo mất cân bằng máy phát đồng bộ điều này được xem là sự cố truyền tải. Cắt sự cố cĩ thể cĩ kết quả khi cắt một hoặc nhiều hơn các phần tử truyền tải ra khỏi hệ thống và ít nhất là cắt tạm thời, việc đĩ sẽ làm suy yếu hệ thống truyền tải. Đồng thời nĩ gây ra rotor máy phát tăng tốc để đáp ứng hệ thống, làm tăng gĩc cơng suất. Khi sự cố được cắt ra cơng suất được phục hồi tới mức phù hợp nào đĩ tại một điểm gần đúng trên đường cong gĩc cơng suất. Điều này sẽ gây ra tổ máy giảm tăng tốc, momen rotor giảm do tốc độ tăng trong quá trình sự cố. Nếu cĩ đủ monem quán tính quay sau khi sự cố đã được cắt ra máy sẽ tạo đủ gia tốc trong lúc sự cố do đĩ máy phát cĩ thể ổn định thống qua trong chu kỳ dao động đầu tiên và sẽ trở về điểm làm việc ổn định của nĩ. Nếu momen quán tính quay khơng đủ, gĩc cơng suất sẽ tiếp tục tăng cho đến khi đồng bộ với hệ thống điện bị mất.
Ổn định hệ thống điện phụ thuộc vào đáp ứng của bộ điều chỉnh điện áp và thời gian cắt sự cố trên hệ thống truyền tải. Một hệ thống kích thích hoàn chỉnh và đáp ứng nhanh sẽ cải thiện khả năng truyền cơng suất của máy điện đồng bộ. Mặc dù, bộ điều chỉnh điện áp đáp ứng nhanh cĩ thể khơng cĩ lợi cho việc ổn định động nĩ sẽ làm giảm ý nghĩa trợ giúp sự phục hồi đối với các dao động cho nên ta phải sử dụng một bộ ổn định hệ thống điện.
Kỹ thuật số đã được sử dụng cho hệ thống kích thích từ các tuabin thủy lực và hơi lớn đến các máy phát điều khiển diezel nhỏ. Gần đây một vài thành phần bao gồm: các đặc tính, chức năng, lợi ích, kiểu, vvv của các hệ thống kích thích số đã được giới thiệu nhiều.
Trong chương này, ta quan tâm đến vấn đề ổn định thống qua, ổn định động và các lợi ích của bộ điều khiển PID kép mà nĩ giúp tạo ra đặc tính tối ưu cho hệ thống kích thích.
4.2 SỰ CẦN THIẾT ĐỐI VỚI CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN AVR KÉP
Duy trì ổn định hệ thống điện phụ thuộc vào một vài hệ số bao gồm: tốc độ đáp ứng của hệ thống kích thích và khả năng cường hành cũng như thời gian rơle cắt. Tăng khả năng cường hành kích thích và giảm thời gian đáp ứng tức là tăng biên ổn định rotor. Điều này được mơ tả trong hình 1, ở đây đường cong A thấp hơn, biểu diễn đường cong gĩc cơng suất cĩ cường hành thấp hơn, hệ thống kích thích đáp ứng chậm hơn. So sánh vùng dưới của các đường cong đối với sự gia tốc, khi tải điện nhỏ hơn tải cơ vùng dưới đường cong A cho thấy sự giảm tốc độ rõ ràng thể hiện rằng một máy dưới điều kiện chuẩn sẽ mất đồng bộ. Đối với đường cong B đáp ứng nhanh hơn, bộ kích thích cường hành cao hơn, vùng dưới đường cong B ở đĩ cơng suất điện vượt quá cơng suất cơ rất lớn, đủ để cho phép máy phát phục hồi lại các dao động của rotor. Điều này cĩ lợi cho những nơi yêu cầu nguồn năng lượng phát ra cĩ sử dụng thiết bị kích thích đáp ứng nhanh nhất với các mức cường hành dương và âm rất cao để tạo an tồn ở mức cao nhất khơng làm cho máy bị mất đồng bộ thống qua.
Hình 1. Ảnh hưởng của hệ thống kích thích đáp ứng ban đầu cao
Trong khi các hệ thống kích thích đáp ứng nhanh rất cĩ lợi đối với ổn định thống qua, đối với sự mất cân bằng hệ thống lớn, lợi ích cĩ thể tăng khi tác động của hệ thống kích thích trên giảm ngay tại chu kỳ dao động đầu tiên sau khi mất cân bằng. Mặt khác, một hệ thống kích thích đáp ứng nhanh cĩ thể gĩp phần giảm đáng kể các dao động âm bởi vì nĩ cĩ thể giảm momen. Do đĩ một hệ thống kích thích đáp ứng nhanh khơng cĩ tác dụng ổn định với các tín hiệu dao động nhỏ của các hệ thống điện trong khi đĩ bộ điều chỉnh điện áp sử dụng hệ số khuếch đại rất cao cĩ thể bất lợi cho việc ổn định động. Điều này giống như khi bộ điều chỉnh dùng hệ số khuếch đại cao khơng được sử dụng trong vận hành trong khi PSS khơng làm việc. Các trường hợp này bao gồm: khi làm việc trong vùng tải lớn của máy phát tuabin thủy hoặc tuabin hơi ở đây PSS cĩ thể được loại bỏ, khi cĩ một hư hỏng thiết bị, khi kiểm tra bảo dưỡng máy phát.
Những yêu cầu cĩ thể được đưa ra trong các bộ cài đặt hệ số cho bộ điều khiển AVR để đảm bảo đáp ứng của bộ điều chỉnh điện áp ổn định khi cĩ hoặc khơng cĩ PSS hoặc chuyển đổi đến bộ điều khiển bằng tay. Để vận hành với đáp ứng hệ thống tối ưu ta nên sử dụng bộ điều khiển nhanh cĩ PSS và bộ điều khiển chậm khơng cĩ PSS.
Một cách khác là dùng hai bộ điều khiển điều chỉnh điện áp, mỗi bộ điều khiển điều cĩ các bộ cài đặt hệ số PID riêng điều chỉnh được để tạo ra đặc tính làm việc tối ưu phụ thuộc vào PSS hoạt động hoặc khơng hoạt động.
Trong quá khứ, bộ điều chỉnh điện áp tương tự cung cấp một sơ đồ điều khiển kép rất phức tạp và yêu cầu logic tương tự rất phức tạp để chuyển mạch các nhĩm hệ số. Cơng nghệ điều chỉnh rất nặng và cồng kềnh để tạo ra các bộ cài đặt thích hợp cho các nhĩm ổn định kép. Hơn nữa, một chuyển mạch giữa các nhĩm cài đặt ổn định cĩ thể khơng luơn luơn khơng tạo dao động mạnh. Trong kỹ thuật số, cĩ các kỹ thuật đơn giản để sử dụng nhĩm cài đặt PID kép và tăng tốc độ thí nghiệm bằng sử dụng giao diện phần mềm khởi động. Bộ kích thích số được lắp đặt với kỹ thuật cao sử dụng hai con vi xử lý để thực hiện thay đổi các chức năng điều khiển của hệ thống kích thích. Nĩ sử dụng bộ điều khiển PID số với thời gian lấy mẫu là 4ms.
Trong hình 2 là sơ đồ bộ điều khiển PID kép được sử dụng trong bộ điều chỉnh điện áp tự động. Nĩ cĩ khả năng lưu trữ hai bộ cài đặt thơng số và tạo ra chuyển đổi tự động mà khơng cĩ dao động mạnh, thực hiện chuyển đổi on-line từ bộ khuếch đại PID này đến bộ PID khác khi bộ ổn định hệ thống điện thay đổi tín hiệu trạng thái. Bộ điều khiển đáp ứng chậm được sử dụng khi bộ ổn định khơng làm việc, trong khi đĩ bộ điều khiển nhanh được sử dụng khi PSS đang làm việc.
Bộ điều chỉnh cho phép điều chỉnh hầu hết các hằng số thời gian và các hệ số trong bộ điều chỉnh. Điều này tạo ra một hệ thống mà nĩ cĩ thể điều chỉnh với dải rộng hơn đối với máy động lực. Phương pháp thiết kế các hệ số PID kép cho hệ thống điều khiển kích thích đã được sử dụng rất sớm.
Hình 2. Bộ điều chỉnh kích thích số với hai bộ điều khiển PID kép 4.4 PSS (bộ ổn định hệ thống)
Một PSS được thiết kế để trợ giúp việc giảm các dao động rotor máy phát bằng việc điều khiển kích thích máy phát, PSS sử dụng các tín hiệu ổn định bổ sung. Để bổ sung việc giảm tự nhiên các dao động của máy phát, bộ ổn định phải cung cấp một thành phần momen điện mà nĩ dùng để thay đổi tốc độ rotor. Các loại PSS khác nhau được trình bày ở đây dùng để giảm tại chỗ các chế độ dao động. PSS được thiết kế dựa trên cơ sở một bộ tích phân gia tốc điện như được mơ tả trong sơ đồ khối hình 3. Nĩ tính tốn theo IEEE loại PSS2A PSS hai đầu vào hiện đại.
Hình 3. PSS hai đầu vào
4.5 KIỂM TRA ĐẶC TÍNH ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH
Ví dụ: Hệ thống kích thích số được thiết kế cho máy phát tuabin nước 137MVA, hệ số
cơng suất = 0,8. Kích thích là loại kích thích tĩnh nên sử dụng điện áp cường hành nhỏ hơn 450VDC, khi điện áp đầu cực = 70% điện áp đầu cực định mức đưa vào kích thích chính. Với dịng điện kích thích định mức là 812A lúc tải định mức, hệ số cơng suất định mức. Mỗi bộ kích thích tĩnh bao gồm: bộ dự phịng 100% về chức năng nĩ điều khiển đầu ra sơ cấp và bộ điều khiển này thực hiện sao chép để đảm bảo khơng cĩ dao động khi chuyển đổi. Mỗi bộ điều khiển số được sử dụng hai nhĩm cài đặt PID, cho phép cĩ thể lựa chọn các bộ cài đặt khác nhau dựa vào việc hoạt động hoặc khơng hoạt động của PSS.
Bắt đầu thực hiện kiểm tra để xác định các hệ số cài đặt PID thích hợp dựa vào các đáp ứng điện áp bước khi khơng tải. Đối với mỗi nhĩm đặt PID, 2% đáp ứng điện áp bước được thực hiện để từ đĩ ta hiệu chỉnh các hệ số cài đặt chính xác cho PID làm cho việc vận hành tổ máy đạt yêu cầu.
Thực hiện cài đặt cho bộ PID chậm hơn khi PSS khơng hoạt động để vận hành tổ máy ổn định khi khơng tải.
Kiểm tra việc chuyển đổi để thay đổi giữa các nhĩm đặt PID phải khơng cĩ dao động để tránh mất cân bằng hệ thống.
Sau khi phân tích bộ PID hồn chỉnh, khi máy được nối song song với thanh cái ta thực hiện lại lần nữa các cơng việc trên giữa hai nhĩm đặt. Kiểm tra đầu tiên ghi lại thơng số tổ máy với nhĩm cài đặt PID chậm với thay đổi 2% điện áp bước và máy đang vận hành tại cơng suất khoảng 70% cơng suất định mức.
PSS được điều chỉnh để tạo ra một thơng số tối ưu đi kèm với bộ hệ số bộ điều chỉnh điện áp đáp ứng nhanh. Đối với các tổ máy khi kiểm tra ổn định hệ thống thì cơng suất của máy dao động một lần và ngay lập tức ổn định thì tổ máy đĩ cĩ hệ thống PID và PSS đáp ứng rất tốt.
4.6 KẾT LUẬN
Ta đã thấy sự cần thiết và cĩ lợi khi dùng bộ điều khiển AVR kép. Từ thơng số kiểm tra nĩi lên các nét đặc trưng rất tốt trong chức năng điều khiển bổ sung khi dùng trong PSS mà nĩ cĩ thể cĩ lợi cho cả ổn định thống qua và ổn định động khi sử dụng các bộ đặt hệ số rất linh hoạt.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});