Một HTKT hiện đại có nhiều chức năng hơn bộ điều chỉnh điện áp thông thƣờng. Bao gồm điều khiển, giới hạn và bảo vệ mà đã đƣợc đề cập trong các yêu cầu của HTKT. Sơ đồ khối giao tiếp các bộ phận chức năng này đƣợc trình bày ở hình 1.5. Một HTKT có thể chỉ bao gồm một vài hoặc tất cả những chức năng này, tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể và loại máy kích từ.
Về lý thuyết, mỗi chức năng điều khiển điều chỉnh một đại lƣợng tùy theo yêu cầu cụ thể, chức năng giới hạn đảm bảo chắc chắn các đại lƣợng không vƣợt quá trị số đặt. Nếu bất cứ bộ giới hạn nào bị sự cố, chức năng bảo vệ sẽ loại bỏ chính xác
phần tử đó hoặc các bộ phận có liên quan ra khỏi hệ thống. Sau đây ta sẽ làm rõ các chức năng điều khiển và bảo vệ ấy.
Bộ điều chỉnh AC và DC
Chức năng cơ bản của bộ điều chỉnh AC là duy trì điện áp stator máy phát. Ngồi ra cịn có chức năng bảo vệ và điều khiển phụ khác để điều khiển điện áp kích từ máy phát.
Chức năng bộ điều chỉnh DC là giữ cho điện áp kích từ máy phát khơng đổi và thƣờng thực hiện bằng tay. Trong một vài HTKT, điểm đặt đƣợc hiệu chỉnh tự động, vì vậy làm cực tiểu độ lệch điện áp.
Bộ bù tải (bộ tạo đặc tuyến)
Bình thƣờng, chức năng của AVR là điều khiển điện áp đầu cực máy phát. Trƣờng hợp này, đặc tính điều chỉnh điện áp máy phát là đƣờng không phụ thuộc vào tải máy phát và đƣợc gọi là đặc tính độc lập. Đơi khi, bộ bù tải đƣợc sử dụng để điều khiển điện áp tại một điểm ở bên trong hoặc bên ngoài máy phát. Để thực hiện
Bộ điều chỉnh AC Máy kích từ Giới hạn quá kích từ Giới hạn thiếu kích từ Bộ giới hạn và bảo vệ V/Hz Mạch diệt từ Máy phát Bộ điều chỉnh DC Cảm biến điện áp Tớ i HTĐ Điện áp đăt AC Điện áp đặt DC AVR
Hình 1.5. Sơ đồ khối điều khiển và bảo vệ HTKT máy phát điện đồng bộ Cảm biến điện áp và bộ
bù tải (tạo đặc tuyến)
điều này ngƣời ta sử dụng thêm một mạch ở đầu vào AVR nhƣ hình 3.15. Trƣờng hợp này, đặc tính điều chỉnh điện áp là đƣờng thẳng dốc lên hoặc dốc xuống, gọi là đặc tính phụ thuộc dƣơng hoặc âm [6], [30]. Bộ bù đƣợc điều chỉnh nhờ điện trở RC
và điện cảm kháng XC. Sử dụng trở kháng này và dòng điện phần ứng sẽ thay đổi đƣợc điện áp giáng để thêm vào hoặc bớt đi điện áp đầu cực máy phát. Giá trị điện áp bù đƣa đến AVR đƣợc tính nhƣ sau: VC Vt (Rc jX Ic) t , rõ ràng với giá trị dƣơng của RC và XC điện áp giáng sẽ đƣợc thêm vào điện áp đầu cực máy phát,…
Bộ giới hạn thiếu kích từ (UEL-under excitation limiters)
Bộ giới hạn thiếu kích từ dùng để ngăn chặn sự giảm kích từ của máy phát tới mức mà ở đó giới hạn ổn định tín hiệu nhỏ hoặc giới hạn nhiệt lõi stator bị vƣợt quá.
Tín hiệu điều khiển của bộ giới hạn thiếu kích từ đƣợc lấy từ sự kết hợp hoặc là điện áp và dòng điện, hoặc là CSTD và CSPK của máy phát. Có nhiều cách để bổ sung chức năng thực hiện của bộ giới hạn thiếu kích từ. Một số hoạt động theo tín hiệu sai lệch điện áp của bộ AVR, khi bộ giới hạn khởi động, một phần tử khơng tuyến tính (diod) bắt đầu cho ra tín hiệu, và kết hợp với các tín hiệu điều khiển khác của HTKT.
Sự cài đặt đặc tính của bộ giới hạn thiếu kích từ sẽ đặt nền tảng cho bảo vệ nhƣ bảo vệ hệ thống mất ổn định hoặc là cuộn dây stator phát nóng. Ngồi ra đặc tính của bộ giới hạn cịn đƣợc phối hợp với bộ bảo vệ mất kích từ máy phát. Đặc tính của bộ giới hạn cịn thƣờng sử dụng kết hợp với tính tốn ổn định tín hiệu nhỏ và đặc tính rơle chống mất kích từ.
Bộ giới hạn quá kích từ (OEL- over excitation limiters)
Mục đích của bộ giới hạn quá kích từ là bảo vệ máy phát khơng bị q nhiệt do q dịng kích từ.
Hiện nay, việc bổ sung chức năng giới hạn quá kích từ thay đổi tuỳ thuộc vào hãng sản xuất và chức năng cụ thể. Chức năng đặc trƣng của bộ giới hạn quá kích từ là phát hiện ra dịng kích từ cao, sau thời gian trễ nó tác động thơng qua bộ điều chỉnh AC nhằm làm giảm độ dốc kích từ đến giá trị đặt trƣớc (khoảng 100 110% dịng kích từ định mức). Nếu khơng đƣợc nó sẽ cắt bộ điều chỉnh AC, chuyển điều khiển đến bộ điều chỉnh DC và xác định lại điểm đặt ở một giá trị đáp ứng tƣơng
ứng với trị số định mức. Nếu điều này cũng khơng làm giảm kích từ đến một giá trị an tồn thì bộ giới hạn sẽ tác động cắt máy cắt kích từ và cắt máy phát.
Bộ giới hạn V/Hz và bảo vệ
Những mạch này đƣợc sử dụng để bảo vệ máy phát và MBA tăng áp không bị hƣ hại do vƣợt q dịng từ hố là kết quả của tần số thấp và quá điện áp. Dòng từ hoá vƣợt quá liên tục là nguyên nhân dẫn đến sự quá nhiệt. Hậu quả, có thể làm hƣ hại MBA và cuộn dây máy phát. Tỷ số của điện áp tƣơng đối và tần số tƣơng đối đƣợc xem nhƣ volts chia cho hertz (V/Hz) có thể đo lƣờng đƣợc bằng đại lƣợng tỷ lệ với dịng từ hố. Giá trị V/Hz thƣờng nằm trong khoảng (1,05-1,25) [30].
Mạch diệt từ
Bình thƣờng, bộ chỉnh lƣu khơng dẫn theo chiều ngƣợc lại, nên dòng điện của bộ kích từ khơng thể âm nhƣ trƣờng hợp của kích từ AC và kích từ tĩnh. Trong trƣờng hợp đầu cực máy phát bị hƣ hỏng và hệ thống bị ngắn mạch, dòng cảm ứng trong cuộn kích từ có thể âm. Nếu dịng điện này khơng có đƣờng thốt thì điện áp tăng rất cao có thể tạo ra ở mạch từ mắc song song. Vì vậy, một mạch điện riêng biệt đƣợc cung cấp để làm nhánh rẽ cho phép dịng kích từ âm thốt qua. Đây là một hình thức nối tắt từ trƣờng, nên thƣờng đƣợc biết đến qua bộ “dập từ trƣờng” hoặc “điện trở biến đổi” [30].
1.2.2.2. Điều khiển tần số
Quá trình điều khiển tần số gắn liền với điều khiển tốc độ của máy phát điện đồng bộ. Tần số của hệ thống đƣợc đảm bảo dựa trên sự cân bằng CSTD. Trong hệ thống có nhiều tổ máy, nhiều nhà máy điện nên cần có sự phân phối cơng suất giữa các tổ máy với nhau. Bộ điều chỉnh tốc độ turbine (governor) của mỗi máy phát làm chức năng điều chỉnh tốc độ sơ cấp, trong khi bộ điều khiển thứ cấp làm nhiệm vụ phân phối công suất (AGC) [6], [30].
Tần số là một trong những tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điện năng. Độ lệch tần số khác với độ lệch điện áp ở chỗ là tất cả các điểm đang làm việc đồng bộ của hệ thống là giống nhau. Sự thay đổi tần số xảy ra do sự mất cân bằng công suất tổng của turbine và phụ tải của máy phát, điều này đƣợc mô tả bởi phƣơng trình (1.2).
Rõ ràng khi tăng hoặc giảm phụ tải hay khi sự cố tổ máy sẽ xuất hiện mất cân bằng công suất dẫn đến thay đổi tần số trong hệ thống. Tần số đƣợc điều chỉnh bằng
cách thay đổi lƣợng hơi nƣớc (nƣớc) đƣa vào turbine máy phát. Nhƣ vậy việc điều chỉnh tần số trong HTĐ liên quan mật thiết với điều chỉnh CSTD giữa các tổ máy và nhà máy điện.
Trong hệ thống liên kết có hai hay nhiều khu vực điều khiển độc lập nhau, ngoài bộ điều khiển tần số nguồn phát trong mỗi khu vực còn phải điều khiển để duy trì lƣợng cơng suất giữa các khu vực theo kế hoạch định trƣớc. Điều khiển nguồn phát và tần số thông thƣờng đƣợc biết đến với thiết bị điều khiển tần số–tải (LFC).
Sơ đồ điều khiển tần số và phân phối CSTD tự động trong HTĐ đƣợc mô tả nhƣ hình 1.6. Ngày nay, các thiết bị tự động điều khiển cho phép duy trì tần số hệ thống kết hợp phân bố kinh tế công suất giữa các tổ máy nối song song, đồng thời điều khiển dịng cơng suất còn thiếu hụt giữa HTĐ và nhà máy.
1.3. Vấn đề dao động góc tải trong HTĐ
1.3.1. Định nghĩa góc tải (góc rotor)
Đặc tính quan trọng của HTĐ là mối quan hệ giữa cơng suất và vị trí góc của rotor. Để minh họa điều này chúng ta hãy xét một HTĐ đơn giản cho trên hình 1.7a. Bao gồm máy phát đồng bộ kết nối với HTĐ qua đƣờng dây tải điện có điện kháng là Xe.
Góc tải (góc rotor) là góc giữa vector sức điện động bên trong Egdo từ
thơng dịng điện kích từ sinh ra với vector điện áp trên thanh cái đầu cực
t t
V V .
Thay đổi tốc
độ turbine sơ cấp HT điều khiển
Van hay cổng
cánh hướng Máy phát
Bộ điều khiển thứ cấp (AGC)
Tải, HT truyền tải, các tổ máy khác Năng lượng
sơ cấp
Công suất truyền tải trên đường dây
Hình 1.6. Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ
Turbine
Tốc độ
Hình 1.7b là sơ đồ thay thế lý tƣởng (đã bỏ qua điện trở và điện dẫn các phần tử) để xác định mối quan hệ giữa công suất với góc. Hình 1.7c biểu diễn đồ thị vector pha giữa máy phát và hệ thống. Ở chế độ xác lập công suất đầu ra của máy phát cho bởi [30], [39] sin g t e g E V P X (1.1)
Đáp ứng của mối quan hệ cơng suất và góc đƣợc biểu diễn nhƣ hình 1.7d.
Với các mơ hình đƣợc lý tƣởng hố sử dụng để biểu diễn máy phát đồng bộ (nhƣ đã giả thiết), thì sự thay đổi cơng suất theo góc có dạng hình sin. Cịn với các mơ
hình máy phát địi hỏi sự chính xác cao nhƣ xét đến ảnh hƣởng của quá trình điện từ, thì mối quan hệ cơng suất góc có thể lệch khỏi dạng sin, tuy nhiên dạng chung là giống nhau. Khi góc bằng khơng, cơng suất bằng khơng. Nếu góc tăng, cơng suất truyền tải sẽ tăng tới giá trị cực đại thƣờng đƣợc đảm bảo bằng 900, sau đó nếu góc tiếp tục tăng cơng suất sẽ giảm. Cịn tiếp tục tăng góc nữa sẽ dẫn tới mất ổn định.
Vt Eg IXe c) Sơ đồ vector VS IXg P Pmax d) Đặc tính cơng suất - góc G Xe Đường dây Xg HT g E a) Sơ đồ HTĐ