Nh ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lợng điện năng của toàn hệ thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thờng, tần số ở mọi điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (tuabin) kéo máy phát điện với phụ tải tác dụng của hệ thống điện .
Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình th- ờng:
T pt
P =P + Π
Trong đó : PT : Công suất của tuabin kéo máy phát. Ppt : Công suất của phụ tải điện.
Π : Tổn thất công suất tác dụng trong hệ thống điện. Mô men kéo của tuabin.
. .T T QH M γ η ω = Trong đó : γ : Hằng số Q : Lu lợng nớc vào tuabin
H : Độ chênh áp suất đầu và cuối tuabin.
η : Hiệu suất tuabin
Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc ω của máy phát
điện theo quan hệ
.2 60 2 60 p n f ω π = =
Trong đó : p – Số đôi cực của máy phát điện n- Số vòng quay của máy phát điện
Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mômen cản trên trục tuabin. Công suất của từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện theo những quan hệ khác nhau.
Chẳng hạn công suất tiêu thụ bởi các đèn sợi nung và các loại phụ tải nhiệt hầu nh không phụ thuộc vào tần số, công suât tiêu thụ bởi động cơ của máy móc gia công kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số. Công suất của các loại bơm, quạt tùy theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số...
Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tơng quan giữa các thành phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi. * * dd f dd P P P k f f f ∆ ∆ = ∆ = ∆
Trong đó : ∆f , ∆P - Tơng ứng là sự thay đổi của tần số và công suất tác
dụng.
fdd, Pdd - Tần số và công suất danh định .
Để thấy rõ sự thay đổi tơng quan giữa công suất tác dụng và tần số ta khảo sát đờng đặc tính tĩnh của tuabin và của phụ tải.
Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mô men quay .
M P ω
∆ = ∆ ∆ của phụ tải. Quan hệ này đợc biểu diễn bằng đờng cong '
1 trên hình vẽ đặc trng cho đặc tính tĩnh của phụ tải. Tần số của hệ thống điện đ- ợc xác định tại điểm cắt O1 của đặc tính 1 (tuabin) và đặc tính 1' (phụ tải) ở đó mô men kéo của tuabin cân bằng với mô men cản của phụ tải M1
Hình vẽ 3.3 Đờng đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1',2',3'). Khi số lợng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải 1' sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển sang bên phải (2') và sẽ cắt đặc tính tuabin tại điểm O3, t- ơng ứng với tần số f3. Khi cắt bớt phụ tải, đặc tính 1' sẽ bị dịch chuyển sang trái (3') và sẽ cắt đặc tính 1 của tuabin tại O2, tơng ứng với tần số f2. Nh vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi:
2 3
f f f
∆ = −
Để đảm chất lợng điện năng không cho phép tần số của hệ thống thay đổi nhiều. Vì vậy khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay đổi đặc tính tĩnh của tuabin. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tính tĩnh của tuabin sang phải (đờng 2). Khi ấy điểm cắt nhau giữa đặc tính tuabin (2) và phụ tải (2') tại O4 tơng ứng với tần số
4
f > f3. Tơng tự khi phụ tải giảm ta phải dịch chuyển đặc tính tuabin sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tính 3 và '
3 tại O5 tơng ứng với tần số f5
< f2. Nhờ sự dịch chuyển đặc tính tuabin mà độ lệch tần số ' 5 4 f f f ∆ = − < 2 3 f f f ∆ = −
Tập hợp các điểm O5, O1, O4 hình thành đặc tính điều chỉnh của tuabin f(M) hoặc f(P).
Đặc tính điều chỉnh của tuabin đợc đặc trng bằng hệ số phụ thuộc t- ơng đối (còn đợc gọi là hệ số tĩnh)
** * * dd dd f f f S P P P ∆ ∆ = −∆ = − ∆
Thông thờng S* của đặc tính điều chỉnh tuabin trong hệ thống điện nằm trong giới hạn S*=0.02ữ0.06. Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống
càng khỏe, nghĩa là với một mức biến đổi công suất nh nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ thống có S* bé hơn sẽ ít biến đổi hơn.
Điều chỉnh tần số (hay số vòng quay) của tuabin đợc thực hiện bằng cách thay đổi năng lợng vào tuabin, nó liên quan trực tiếp tới tiêu hao năng lợng, nhiên liệu và là một bài toán tối u hóa phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố nh đặc tính tiêu hao nhiên liệu của tổ máy, chi phí vận hành của nhà máy điện, tổn thất công suất trên lới khi thay đổi phơng thức huy động công suất của cả nhà máy điện .
Nh vậy điều chỉnh tần số trong hệ thống điện liên quan hữu cơ với việc điều chỉnh và phân bổ công suất tác dụng giữa các tổ máy và nhà máy điện trong hệ thống điện .
Hệ thống điện càng lớn. Yêu cầu về độ chính xác điều chỉnh tần số càng cao, vì độ lệch tần số sẽ ảnh hởng tới trào lu công suất giữa nhiều nhà máy điện và giữa các khu vực khác nhau của hệ thống.
Do đó trung tâm điều động hệ thống điện xuất phát từ điều kiện vận hành tối u của hệ thống từ đó đa ra phơng thức huy động công suất của từng nhà máy điện, công suất trao đổi giữa các đờng dây liên lạc cần đợc khống chế trong các tình huống vận hành khác nhau.