Ngược lại, khi tần số giảm, giá trị XL giảm trong khi giá trị XC tăng làm cho giá trị XL–XC giảm, kết quả là tổng trở Z của đường dây giảm.
Sự thay đổi của trở kháng đường dây làm ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố công suất trên hệ thống điện, đặc biệt đối với lưới được nối mạng vòng. Khi tần số giảm, giá trị tổng trở giảm làm cho dòng điện đi qua dây dẫn tăng lên, điều này có thể làm quá tải đường dây truyền tải.
2.1.2 Đối với tải động cơ
Đối với động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng) Tốc độ đồng bộ của động cơ được tính theo cơng thức:
=2 × 60 (2.4)
Với: ns là tốc độ đồng bộ của động cơ (rpm) fs là tần số hệ thống điện (Hz)
p là số cực của động cơ (pole)
Tần số hệ thống ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ động cơ, khi tần số thay đổi tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi theo. Điều này ảnh hưởng đến những dây chuyền sản xuất hay hệ thống máy móc mà hoạt động bị ảnh hưởng lớn bởi tốc độ quay của động cơ.
Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ hoạt động với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ một lượng ns - nr với hệ số trượt s đại điện cho độ lệch tốc độ này theo công thức:
= − (2.5)
Với: s là hệ số trượt của động cơ không đồng bộ (pu) ns là tốc độ đồng bộ (rmp)
nr là tốc độ rotor của động cớ không đồng bộ (rpm)
Khảo sát mạch điện tương đương của động cơ điện không đồng bộ 3 pha như hình 2.2 [3].
Rs, Rr là điện trở stator và rotor Xs, Xr là điện kháng stator và rotor Xm là điện kháng từ hóa
Is, Ir là dòng điện trên stator và rotor Vs là điện áp trên đầu cực của động cơ s là hệ số trượt
Hình 2: Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ 3 pha
Pag là công suất trên rotor (cơng suất đi qua khe hở khơng khí (air-gap)) Khi tần số giảm, tốc độ đồng bộ của động cơ giảm làm cho tốc độ đầu ra trên trục rotor của động cơ giảm gây giảm công suất đầu ra của động cơ, ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị. Ngoài ra, tần số giảm làm điện kháng từ hóa Xm và điện kháng stator và rotor Xs, Xr giảm trong khi điện áp đầu vào Vs không đổi làm cho dòng điện
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 10
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
trên stator Is tăng gây nóng động cơ (động cơ tiêu thụ cơng suất phản kháng nhiều hơn).
2.1.3 Đối với máy biến áp
Khảo sát mạch điện máy biến áp 2 cuộn dây như hình 2.3 [3].
Zp = Rp + jXp ; Zs = Rs + jXs
Rp, Rs là điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp Xp, Xs là điện kháng dây quấn sơ cấp và thứ cấp Np, ns là số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp
Xmp là điện kháng từ hóa máy biến áp quy đổi về phía sơ cấp Hình 3: Mạch điện tương đương của máy biến áp 2 cuộn dây
Mơ hình mạch điện tương đương trong máy biến áp ngoài các thành phần điện kháng Xp, Xs ở cả cuộn sơ cáp và thứ cấp cịn có thành phần điện kháng để từ hóa mạch từ máy biến áp Xmp. Các thành phần điện kháng này ảnh hưởng rất lớn khi tần số thay đổi, đặc biệt là thành phần điện kháng từ hóa Xmp.
Khi tần số giảm, điện Xp, Xs, Xmp kháng trên máy biến áp giảm làm cho dòng tải qua máy biến áp tăng, thành phần điện điện kháng Zmp trong máy biến áp giảm cịn làm tăng dịng điện dùng để từ hóa máy biến áp, gây nóng máy biến áp khơng cần thiết (dịng điện này là tổn hao khơng tải của máy biến áp, tổn hao này tăng cao khi tần số của máy biến áp giảm so với tần số làm việc định mức). Điều này làm giảm công suất định mức của máy biến áp do phải tăng dịng điện để từ hóa lõi thép, ảnh hưởng đến phân bố công suất của hệ thống.
Khi tần số tăng, điện kháng Xp, Xs, Xmp trên máy biến áp tăng, dịng điện từ hóa máy biến áp giảm (tổn hao không tải trong máy biến áp giảm). Tuy nhiên, khi lõi thép
máy biến áp làm việc với tần số cao hơn tần số định mức sẽ làm nóng lõi thép do dịng điện Foucault (tùy theo chất lượng lõi thép và độ tăng của tần số mà dòng điện này lớn hay nhỏ) đồng thời làm rung các lá thép kĩ thuật điện trong máy biến áp (máy biến áp sẽ phát ra tiếng kêu lớn hơn bình thường nếu các gơng từ trong máy biến áp yếu).
2.1.4 Đặc tính của một số loại tải thơng dụng
Đặc tính động của tải là thơng số đặc trưng cho sự thay đổi công suất của thiết bị theo tần số và điện áp. Dưới đây là khảo bảng khảo đặc tính động dùng để tham khảo của một số loại tải.
Bảng 2.1: Đặc tính động của một số loại tải [3]
Thành phần Cos P/V Q/V P/f Q/f
Đèn sợi đốt, máy nước nóng, bếp
điện dây mayso 1.0 2.0 0 0 0
Đèn huỳnh quang 0.9 0.96 7.4 1.0 -2.8
Động cơ công nghiệp 0.88 0.07 0.5 2.5 1.2
Động cơ quạt 0.87 0.08 1.6 2.9 1.7
Máy bơm nước 0.85 1.4 1.4 5.0 4.0
Máy biến áp (không tải) 0.64 3.4 11.5 0 -11.8
(Trích trong bảng 7.1 tài liệu [3], các thơng số được khảo sát từ những năm 80 của thế kỉ XX. Tuy nhiên, các thơng số được trích dẫn là ít thay đổi theo thời gian)
Theo đặc tính động của các tải theo tần số, tải động cơ có cơng suất giảm rất nhiều khi tần số giảm và ngược lại công suất động cơ tăng khi tần số tăng. Tải máy biến áp tiêu thụ nhiều công suất phản kháng khi tần số giảm và tiêu thụ ít cơng suất phản kháng khi tần số tăng.
2.2 Phương pháp điều chỉnh tần số hệ thống điện
Điều chỉnh tần số trong hệ thống điện có thể được chia làm 2 cấp chính: Điều chỉnh tần số sơ cấp được thực hiện bằng bộ điều tốc governor để điều chỉnh công suất
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 12
HVTH: Nguyễn Hồng Nhật
cơ đầu vào từ đó điều chỉnh tốc độ/tần số máy phát; Điều chỉnh tần số thứ cấp để điều khiển tần số trên hệ thống bằng cách điều chỉnh tần số của một hoặc nhiều máy phát liên kết với nhau nhằm duy trì tần số.
2.2.1 Độ lệch tần số và sự mất cân bằng công suất tác dụng
Trong hệ thống điện, khi có sự mất cân bằng giữa cơng suất nguồn và công suất tải tiêu thụ, các máy phát điện sẽ đáp ứng tần số theo công thức [2]:
∆ ( ) − ∆ ( ) = 2 ∆ ( )+ . ∆ ( ) (2.6) Với: - ∆Pm là độ thay đổi công suất nguồn (công suất cơ đầu vào) (pu)
- ∆PL là độ thay đổi công suất tải (pu)
- H là hằng số quán tính của máy phát. Đây là một đại lượng tương đối tính bởi: H=Năng lượng tại tốc độ định mức
MVA cơ sở
Hằng số H càng lớn thì khả năng đáp ứng cơng suất của máy phát đối với độ thay đổi tải càng cao.
- D là hệ số giảm chấn của tải. Hệ số này thể hiện độ đáp ứng của phụ tải đối với sự thay đổi tần số.
- ∆f là độ thay đổi tần số của hệ thống (pu) Biến đổi Laplace công thức (2.6):
∆ ( ) − ∆ ( ) = 2 . ∆ ( ) + . ∆ ( ) (2.7) Công thức (2.7) được thể hiện dưới dạng sơ đồ khối như hình 2.4:
D Hs 2 1 ∆f + ∆Pm ∆PL -
Khi máy phát khơng có điều chỉnh tần số thì đáp ứng tần số của máy phát khi tải thay đổi là rất lớn và có thể khơng chấp nhận được trong hệ thống, vì vậy các bộ tự động điều chỉnh tần số là cần thiết.
2.2.2 Điều chỉnh tần số sơ cấp Bộ điều tốc governor Bộ điều tốc governor
Mơ hình đơn giản nhất của bộ điều tốc được thể hiện như hình bên dưới.
Pm là cơng suất cơ đầu vào máy phát (W) Pe là công suất điện đầu ra máy phát (W) PL là công suất tải (W)
m là tốc độ quay của turbine (rad/s)
∆Y là tín hiệu điều khiển cơng suất cơ đầu vào (ở đây là valve) Hình 5: Mơ hình máy phát với bộ điều tốc
Theo mơ hình trên, máy phát điện cung cấp công suất điện Pe cho một phụ tải độc lập tiêu thụ công suất PL. Bỏ qua tổn hao trên máy phát điện, công suất điện Pe được xem như là bằng với công suất cơ từ turbine Tm. Công suất cơ từ turbine được điều chỉnh bằng cách thay đổi valve (hay cổng xả nước hay bất kì thiết bị điều chỉnh năng lượng đầu vào nào trong động cơ, turbine). Nhiệm vụ của bộ điều chỉnh tốc độ governor là xuất tín hiệu điều khiển valve để điều chỉnh công suất cơ đầu vào.
Dựa vào đặc tính của bộ điều tốc, có thể chia ra làm hai loại cơ bản: 1) Bộ điều tốc có đặc tính làm việc khơng đổi; 2) Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh độ dốc.
Bộ điều tốc với đặc tính làm việc khơng đổi
Pe Năng lượng vào Valve Bộ điều tốc Governor Turbine G Tải PL Pm r Tốc độ ∆Y
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 14
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
Hình 6: Sơ đồ của bộ điều tốc đặc tính làm việc khơng đổi
Khi tốc độ turbine r cao hơn tốc độ đặt 0 thì ∆r > 0, qua khâu khuếch đại - K và khâu tích phân để giảm tín hiệu điều khiển ∆Y nhằm giảm cơng suất cơ đầu vào tiến tới giảm tốc độ. Ngược lại khi r < 0 thì ∆r > 0, qua khâu khuếch đại -K và khâu tích phân để tăng tín hiệu điều khiển ∆Y nhằm tăng công suất cơ đầu vào tiến tới tăng tốc độ.
Hình 7: Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc đặc tính làm việc khơng đổi Bộ điều tốc này luôn giữ tốc độ/tần số ở mức khơng đổi dù cho tải có thay đổi (trong phạm vi điều chỉnh của máy phát). Tuy nhiên, khi làm việc song song 2 hay nhiều máy phát thì đặc tính này lại gây mất ổn định tần số (đặc biệt là với máy phát có cơng suất, loại năng lượng sử dụng khác nhau).
Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh tốc độ
Pe
Năng lượng vào
Valve/ cửa nước
Tích phân Turbine -K Tốc độ đặt 0 - + Y r r G
Cơng suất cơ hoặc vị trí Valve P2 P1 f hoặc (pu) 1
Hình 8: Sơ đồ bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh tốc độ Đơn giản khối điều chỉnh tốc độ hình 2.8: Đơn giản khối điều chỉnh tốc độ hình 2.8:
Hình 9: Sơ đồ đơn giản của bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh R
Trong đó hệ số tỉ lệ R đặc trưng cho đặc tính điều chỉnh tốc độ của máy phát khi kết nối máy phát với hệ thống. R là đại lượng phần trăm và được xác định theo biểu thức sau:
R%=Phần trăm thay đổi tần số hay tốc độ Phần trăm cơng suất ngõ ra ×100
R%=ωNL-ωFL
ω0 ×100 (2.8)
Trong đó: NL là tốc độ không tải (rad/s) FL là tốc độ đầy tải (rad/s)
0 là tốc độ định mức (rad/s) Pe Y Năng lượng vào Valve Tốc độ đặt Tích phân -K Turbine R G ∆r + − − − + − Điểm đặt tải ∆r Y 1 1 1 + − + Điểm đặt tải = 1
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 16
HVTH: Nguyễn Hồng Nhật
Hình 10: Đặc tính điều chỉnh tần số của bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh Hệ số R thể hiện lượng cơng suất cần thay đổi khi tốc độ/tần số thay đổi, nó đặc Hệ số R thể hiện lượng cơng suất cần thay đổi khi tốc độ/tần số thay đổi, nó đặc trưng cho việc điều chỉnh tốc độ có hệ số trượt. Đối với từng máy phát đơn lẻ vận hành độc lập trong trạng thái ổn định, hệ số R càng lớn chứng tỏ đường đặc tính cho máy phát đó càng dốc, máy phát điều chỉnh cơng suất đầu vào (trong đơn vị tương đối) ít hơn để thay đổi tần số. R lớn chứng tỏ khả năng cung cấp công suất để thay đổi tần số của máy phát lớn hơn.
Vận hành máy phát song song
Khi tần số hệ thống thay đổi so với tần số định mức. Từ định nghĩa của hệ số R, lượng công suất tác dụng bù vào hệ thống được xác định như sau:
∆P = P' − P = Δf
R (2.9)
Với: ∆P là lượng công suất cần điều chỉnh (pu) P’ là công suất sau khi điều chỉnh (pu) P là công suất trước khi điều chỉnh (pu)
∆f=f' f0 là độ lệch của tần số so với tần số định mức (pu) Nếu có 2 máy phát làm việc song song thì:
Δ Δ =
Δ
Δ (2.10)
Với: ∆P1, ∆P2 lần lượt là lượng công suất cần điều chỉnh trên máy phát 1, máy phát 2 NL f= 0=f0 FL P f hoặc (pu)
1.0 Cơng suất cơ hoặc vị trí Valve
∆R1, ∆R2 lần lượt là hệ số tỉ lệ của máy phát 1, máy phát 2
Hình 11: Đặc tính điều chỉnh tần số của 2 máy phát làm việc song song Tổng quát về điều chỉnh tần số sơ cấp Tổng quát về điều chỉnh tần số sơ cấp
Điều chỉnh tần số sơ cấp được thực hiện do các bộ điều chỉnh tốc độ của tuabin, cho phép thay đổi lưu lượng nước hoặc hơi qua tổ máy tỷ lệ với sự biến đổi của tần số. Đáp ứng của việc điều chỉnh tần số biểu diễn ở MW/Hz và gọi là hệ số độ dốc đặc tính tần số (R). Như vậy, với sự thay đổi có giới hạn của phụ tải có thể bù lại bằng tự động điều chỉnh tần số sơ cấp.
Mục đích của việc điều chỉnh sơ cấp:
- Nhanh chóng kiềm chế sự mất cân bằng giữa công suất phát và phụ tải, nhưng vẫn còn sự tồn tại một độ lệch tần số.
- Làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống.
Hiệu quả điều chỉnh tần số sơ cấp phụ thuộc nhiều vào độ dốc của đường đặc tính điều chỉnh, nếu độ dốc càng nhỏ (cùng một sự thay đổi của phụ tải dẫn đến sự thay đổi càng nhỏ của tốc độ) hiệu quả điều chỉnh càng lớn. Nếu đường đặc tính điều chỉnh nằm ngang, đó là bộ điều chỉnh tuyệt đối, đảm bảo tần số không thay đổi với mọi thay đổi của phụ tải, cho đến khi hết giới hạn công suất turbine.
Theo [3], khi quá trình điều chỉnh tần số sơ cấp không thể đưa tần số hệ thống trở về giá trị định mức, vì vậy sau quá trình điều chỉnh sơ cấp là quá trình điều chỉnh
P2 f P f= P1 f P f0 f’ P1 P1' P2 P2'
Ổn định tần số hệ thống điện trong điều kiện sự cố
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang 18
HVTH: Nguyễn Hoàng Nhật
tần số thứ cấp. Điều chỉnh tần số thứ cấp có nhiệm vụ đưa tần số trở về giá trị định mức.
2.2.3 Điều chỉnh tần số thứ cấp
Điều chỉnh tần số thứ cấp nhằm thay đổi công suất turbine theo sự biến đổi tần số của hệ thống. Điều chỉnh tần số thứ cấp do bộ tự động điều chỉnh tần số thực hiện hoặc nhân viên vận hành hệ thống điện thực hiện.
Bộ tự động điều chỉnh máy phát (AGC)
Trong hệ thống điện, khi có sự dao động lớn công suất tác dụng thì bộ điều chỉnh tốc độ sơ cấp không đủ để đưa tần số về giá trị định mức. Vì vậy, bộ tự động điều chỉnh máy phát (AGC: Auto Generation Control) được sử dụng. Bộ AGC điều chỉnh tốc độ/tần số của một hay một số máy phát được chỉ định trên hệ thống.
Mục đích của tự động điều chỉnh máy phát: - Đưa tần số trở lại giá trị định mức.
- Điều chỉnh trào lưu công suất trao đổi giữa các khu vực theo một kế hoạch xác định, bằng cách điều chỉnh công suất ra của một số máy phát được lựa chọn trước, hai chức năng trên còn được gọi là điều khiển tải