Tần số là một trong những tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng nhất về chất lượng điện năng bên cạnh điện áp. Việc duy trì tần số ổn định quanh giá trị định mức sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo các thiết bị điện hoạt động bình thường, duy trì trạng thái ổn định lâu dài cho hệ thống điện. Khi tần số vì một nguyên nhân nào đó bị lệch ra khỏi dải vận hành bình thường cho phép sẽ gây ra ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện cũng như các thiết bị điện (phụ tải).
Đối với nhà máy điện, hệ thống điện
Việc duy trì tốc độ ổn định của các động cơ truyền động là đặc biệt quan trọng đối với hiệu suất chung của các tổ máy phát điện, do hiệu suất tổ máy phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất của các động cơ lớn trong hệ thống thiết bị tự dùng của nhà máy điện như hệ thống cấp nhiên liệu, cấp gió buồng đốt, cấp nước lò hơi… [1].
Tần số hệ thống giảm thấp hay tăng cao đột ngột có thể dẫn đến các bơm, động cơ quan trọng trong các hệ thống tự dùng bị ngừng hoặc mất điều khiển, và có thể dẫn đến ngừng sự cố tổ máy do bảo vệ nội bộ. Điều này càng làm trầm trọng hơn mức độ mất cân bằng công suất trên hệ thống và kết quả có thể dẫn tới hiện tượng sụp đổ tần số khi một loạt các tổ máy sẽ bị cắt ra khỏi hệ thống.
Một vấn đề khác đó là các máy phát điện, máy biến áp đều có đường giới hạn làm việc V/f [2]. Tất cả các máy phát điện, máy biến áp công nghiệp đều được thiết kế để vận hành trong một dải tỉ lệ nhỏ nhất giữa điện áp và tần số (gọi là tỉ lệ V/f).
Tỉ lệ V/f liên quan đến mật độ từ thông trong lõi các máy điện, nó tỉ lệ với tổn thất nhiệt. Tỉ lệ V/f quá cao sẽ gây ra phát nóng, quá nhiệt cho lõi máy điện, làm giảm hiệu suất hoặc hư hỏng thiết bị.
Hình 2.1: Đường giới hạn điện áp – tần số làm việc cho các máy phát và máy biến áp.
25 Ngoài ra, các máy phát điện – tua-bin còn cần phải tránh làm việc ở vùng cộng hưởng cơ học, nếu tốc độ quay của tua-bin ở gần chế độ cộng hưởng thì sẽ xảy ra rung động cơ học lớn, có thể phá hủy trục tua-bin. Các nhà sản xuất máy phát – tua-bin thường thiết kế các vùng tần số cộng hưởng của máy cách xa vùng tần số hoạt động bình thường, vì vậy vấn đề này thường không phải là một mối quan tâm lớn trừ khi tần số bị lệch ra ngoài khoảng 5% (± 2,5 Hz).
Đối với các thiết bị điện (phụ tải)
Tất cả các thiết bị điện đều được thiết kế để làm việc tối ưu, ổn định lâu dài ở quanh một giá trị tần số định mức, nếu tần số (và cả điện áp) lệch nhiều khỏi giá trị định mức đó thì thiết bị điện làm việc kém chất lượng, thậm chí có thể dẫn đến hư hỏng. Đặc biệt với các động cơ điện (đồng bộ và không đồng bộ), tần số thay đổi sẽ dẫn đến tốc độ quay của động cơ thay đổi, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc của các động cơ. Tuy nhiên, ở các dây chuyền công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao sẽ sử dụng các biến tần hay bộ biến đổi tần số để điều khiển chính xác tốc độ động cơ trong dây chuyền, làm giảm đi ảnh hưởng với những thay đổi nhỏ của tần số hệ thống.
2.1.2 Tần số và cân bằng công suất hệ thống
Điều kiện cần để hệ thống điện ổn định, tồn tại chế độ xác lập bình thường là đảm bảo sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống tại mọi thời điểm. Tức là công suất phát của nguồn điện phải luôn cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải hệ thống điện [3]:
PF = Pyc = Ppt+ ∆P QF = Qyc= Qpt+ ∆Q QFi = Qyci = Qpti + ∆Q
(2.1)
Với P là công suất tác dụng, Q là công suất phản kháng, i là chỉ số của nút hoặc khu vực.
Cân bằng công suất phản kháng là cân bằng điện từ giữa công suất phản kháng của các máy phát điện do dòng kích từ sinh ra và công suất phản kháng của phụ tải do yêu cầu của từ trường trong các thiết bị dùng điện và máy biến áp. Cân bằng công suất phản kháng thể hiện qua điện áp và mang tính cục bộ, có thể khu vực này thừa khu vực khác lại thiếu. Do vậy, điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng hay là điều chỉnh điện áp phải được thực hiện ở nhiều nơi khác nhau, đảm bảo cân bằng cho toàn hệ thống điện trên cơ sở đảm bảo cân bằng cho từng nút hoặc khu vực của hệ thống điện.
Cân bằng công suất tác dụng là cân bằng công suất cơ – điện trên trục của các máy phát điện, một bên là công suất cơ của tua-bin, một bên là công suất điện của phụ tải. Do sự lan truyền năng lượng trong hệ thống điện là tức thời, nên cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống, và thể hiện qua tần số chung của hệ
26 thống. Công suất tác dụng được coi là cân bằng nếu tần số trong phạm vi cho phép, nếu thấp hơn giá trị cho phép tối thiểu tức là hệ thống đang thiếu công suất, và cao hơn giá trị cho phép tối đa tức là hệ thống thừa công suất. Độ lệch tần số của một hệ thống điện so với giá trị danh định là phản ánh của sự không cân bằng giữa các nguồn cung cấp (các máy phát) và phụ tải, thể hiện qua hình dưới [4].
Hình 2.2: Tần số với sự cân bằng công suất nguồn – tải.
Cân bằng công suất cơ điện trên trục của các máy phát điện là các điểm cân bằng quan trọng, do tính chất này nên việc điều chỉnh cân bằng công suất tác dụng được thực hiện ở các tổ máy phát [3]. Khi có sự mất cân bằng giữa các mô-men xoắn tác động lên rô-to của máy phát sẽ gây ra gia tốc hoặc giảm tốc của rô-to, phương trình chuyển động (swing equation) như sau [1] [5]:
𝐽𝑑𝜔𝑚
𝑑𝑡 = 𝑇𝑚− 𝑇𝑒 (2.2) Trong đó:
𝐽 : là mô-men quán tính kết hợp của khối máy phát – tua-bin (kg.m2);
𝜔𝑚: là vận tốc góc cơ học của rô-to (rad/s);
𝑇𝑚: là mô-men cơ (N.m);
𝑇𝑒: là mô-men điện từ (N.m).
Phương trình (2.2) có thể được biểu diễn qua hằng số quán tính 𝐻- được xác định như động năng của khối máy phát – tua-bin ở tốc độ định mức 𝜔0𝑚 chia cho công suất biểu kiến cơ sở 𝑆𝑏𝑎𝑠𝑒. Hằng số quán tính 𝐻[𝑠] tính như sau:
27 𝐻 = 1
2 𝐽𝜔0𝑚2
𝑆𝑏𝑎𝑠𝑒
(2.3)
Thay thế 𝐽 từ (2.3) vào (2.2) được:
2𝐻 𝜔0𝑚2
𝑑𝜔𝑚
𝑑𝑡 = 𝜔𝑚𝑇𝑚− 𝜔𝑚𝑇𝑒
𝜔𝑚𝑆𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑃𝑚− 𝑃𝑒
𝜔𝑚𝑆𝑏𝑎𝑠𝑒 (2.4)
Với 𝑃𝑚, 𝑃𝑒 là công suất cơ và công suất điện. Phương trình trên viết trong hệ đơn vị tương đối như sau:
2𝐻𝜔̅𝑟𝑑𝜔̅𝑟
𝑑𝑡 = 𝑃̅𝑚− 𝑃̅𝑒 (2.5) Trong đó:
𝜔̅𝑟 = 𝜔𝑚
𝜔0𝑚 = 𝜔𝑟/𝑝𝑓
𝜔0/𝑝𝑓 = 𝜔𝑟
𝜔0 = 2𝜋𝑓 2𝜋𝑓0
Với: 𝜔𝑟 là tốc độ góc điện của rô-to (rad/s), 𝜔0 là tốc độ góc điện định mức, 𝑝𝑓 là số cặp cực của máy phát điện.
Biểu diễn phương trình chuyển động trên qua tần số, ta được quá trình động học của một máy phát – tua-bin riêng lẻ được viết như sau [6]:
𝐻𝑖𝑑𝑓𝑖
𝑑𝑡 = 𝑓02
2𝑆𝑛𝑖𝑓𝑖× (𝑃𝑚𝑖 − 𝑃𝑒𝑖) (2.6)
Trong đó: 𝑓𝑖 là tần số của máy phát điện 𝑖, 𝑓0 là tần số định mức, 𝑃𝑚𝑖 là công suất cơ của máy phát – tua-bin 𝑖, 𝑃𝑒𝑖 là công suất điện của máy phát – tua-bin 𝑖.
Từ phương trình (2.6) có thể biểu diễn quan hệ giữa tần số hệ thống với độ mất cân bằng công suất hệ thống dưới dạng đơn giản nhất bỏ qua sự thay đổi của tải theo tần số theo phương trình như sau [7]:
𝑑𝑓
𝑑𝑡 = ∆𝑃
2𝐻𝑠𝑦𝑠× 𝑓0 (2.7)
Tất cả các phương trình trên đều cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ quay của các máy phát điện đồng bộ với sự mất cân bằng mô-men tác động lên trục máy phát, hay cũng chính là mối quan hệ giữa sự biến đổi của tần số với mức độ mất cân bằng công suất trên hệ thống. Khi công suất nguồn lớn hơn công suất phụ tải, hay mô-men cơ của tua-bin lớn hơn mo-men điện của máy phát, thì tần số hệ thống sẽ tăng và máy phát – tua-bin sẽ bị tăng tốc. Ngược lại, khi công suất nguồn nhỏ hơn công suất phụ tải, hay mô-men cơ của tua-bin nhỏ hơn mo-men điện của máy phát, thì tần số hệ thống sẽ giảm và máy phát – tua-bin sẽ bị giảm tốc. Từ đó có thể kết luận, điều khiển tần số chính là điều khiển sự cân bằng công suất trên hệ thống điện, để giữ tần số hệ thống ổn định trong dải vận hành bình thường thì cần
28 điều khiển sao cho duy trì được sự cân bằng tương đối giữa công suất nguồn và công suất phụ tải trên hệ thống tại mọi thời điểm.