2- Đường dây truyền tải điện
1.2.11 Điều chỉnh công suất và tần số [1], [2]
Trong các hệ thống điện cần thiết phải giữ cho tần số và điện áp gần giá trị định mức của nó. Tần số được điều khiển bằng cách kiểm soát sự cân bằng giữa tổng công suất phát và tổng công suất thu kể cả công suất tổn thất truyền dẫn trong toàn hệ thống. Hình 1.22 mô tả một hệ thống truyền tải với một turbine dẫn động cho một máy phát điện cung cấp năng lượng điện cho một motor truyền động cho các tải cơ khí.
Hình 1.22 Mô hình hệ thống điện
Phía nguồn phát, giả thiết đó là máy phát nhiệt điện thì phần động lực cung cấp công suất sơ cấp cho máy phát là turbine hơi, trong đó van hơi là phương tiện chính cho điều khiển công suất của hệ turbine – máy phát. Tất nhiên, nếu các van được mở, các nồi hơi phải có khả năng cung cấp đủ hơi nước (ở áp suất và nhiệt độ chính xác) để phát triển sức mạnh cần thiết. Điều này có nghĩa rằng việc kiểm soát nồi hơi phải được phối hợp với các van hơi. Tương tự như vậy, trong một turbine gió công suất truyền tới các máy phát điện được xác định bởi tốc độ gió và hệ thống cánh, có thể được thay đổi để kiểm soát công suất theo mức cần thiết.
Các công suất điện hưu ích lấy từ hệ thống được xác định bằng các tải cơ khí và điện. Ví dụ, hãy xem xét một động cơ cảm ứng trực tiếp kết nối với một máy bơm. Công suất động cơ thay đổi theo tốc độ quay kể từ khi khởi động cho đến khi làm việc ổn định tại tốc độ định mức (gần tốc độ gần đồng bộ) tùy thuộc vào đầu áp và tốc độ dòng chảy. Ngoài ra còn các tải điện thụ động (chẳng hạn như ánh sáng và sưởi ấm), nguồn điện cung cấp cho tải phụ thuộc vào điện áp và trở kháng tải. Vì vậy, công suất phía nguồn phát có thể được xem như luôn được điều khiển bám theo công suất phía tiêu thụ và do đó tần số hệ thống đảm bảo ổn định là 50 Hz hoặc 60 Hz
Rõ ràng là công suất phát (Pin) và công suất thu (Pout) được xác định hoàn toàn độc lập. Tuy nhiên, trong trạng thái ổn định thì phải đảm bảo cân bằng, nếu không năng lượng sẽ được tích lũy ở đâu đó trong hệ thống truyền tải điện. Các nhà điều hành hệ thống điện có thể điều khiển Pin vào nhưng không kiểm soát Pout , trong khi đó khách hàng có thể kết nối và ngắt kết nối tải theo ý thích. Các nhà điều hành hệ thống điện thậm chí không có bất kỳ phương tiện thực tế đo Pout cho toàn bộ hệ thống.
Trong ngắn hạn (trong khoảng thời gian tính bằng chu kỳ), sự kiểm soát tần số mà đảm bảo rằng Pin = Pout, được thực hiện bằng cách duy trì tốc độ của máy phát điện rất gần với giá trị danh định. Giả sử hệ thống điện trong một trạng thái ổn định và Pin = Pout xuất hiện sự tăng tải làm tốc độ hệ turbine – máy phát sẽ có xu hướng chậm lại, tần số xuy giảm xuống dưới giá trị định mức và ngược lại nếu giảm tải thì tần số làm việc có su hướng tăng lên trên giá trị định mức. Quá trình điều khiển để khôi phục sự cân bằng ban đầu có tính chất dao động. Mức độ dao động xét cả về biên độ và thời gian tồn tại là cơ sở đánh giá tính ổn định của hệ thống với từng phân cấp: ổn định tĩnh, ổn định động và không ổn định.
Trong một hệ thống điện độc lập chỉ với một máy phát điện, nguồn động lực sơ cấp làm việc tương đối đơn giản là duy trì tốc độ của máy phát điện ở tốc độ đồng bộ chính xác giữ cho không đổi tần số. Nhưng điều gì xảy ra trong một hệ thống điện với nhiều máy phát điện? Trong trường hợp này thường có tổ hợp gồm nhiều nhà máy điện. Những tổ máy có hiệu suất làm việc cao nhất sẽ được phân công vận hành với công suất lớn nhất và không đổi (máy điều áp) và không liên quan đến sự thay đổi của Pin khác nhau. Ngoài kinh tế, một trong những lý do cho điều này là nếu công suất thay đổi liên tục, phân bố nhiệt độ trong turbine, nồi hơi, máy phát điện và sẽ bị ảnh hưởng, và chu trình nhiệt được coi là không tối ưu. Ở những nơi khác trong hệ thống điện, hoặc đôi khi trong cùng một nhà máy điện, có những máy phát điện đặc biệt được giao nhiệm vụ kiểm soát tần số. Những máy phát điện có đặc tính rất dốc như vậy, một thay có đổi nhỏ trong tần số sẽ gây ra một thay đổi lớn về công suất. Đó thường là turbine khí có thể bổ sung hỗ trợ lượng công suất lên đến 20 MW. Tương tự như vậy, nhưng trong một trạng thái khác máy phát thủy điện có hồ chứa cũng có phản ứng rất nhanh, có thể phát triển
công suất từ không lên công suất định mức hàng ngàn MW trong thời gian vài chục giây.
Các máy phát điện nhanh chóng đáp ứng trong một hệ thống kết nối điện lớn được sử dụng để kiểm soát tần số trong ngắn hạn (trong một vài phút hoặc vài giờ). Chúng có khả năng trụ lưới trong thời gian nhất định để cho phép các nhà máy điện lớn hơn gia tăng công suất đóng góp.
Một số máy phát điện trong một hệ thống lớn có thể hoạt động đối với tải ánh sáng trong trạng thái sẵn sàng hoặc dự trữ quay trong trường hợp tăng tải hệ thống đột nhiên bởi một số lượng lớn. Điều này có thể xảy ra khi đóng điện hệ thống đèn đường.