Khi ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong hệ thống điện lực hoặc với một máy phát điện đồng bộ khác, để tránh dòng điện xung và các mômen điện từ có trị số rất lớn có thể sinh ra sự cố làm hỏng máy và các thiết bị điện khác gây rối loạn trong hệ thống điện lực thì các trị số tức thời của điện áp máy phát điện và hệ thống điện lực phải luôn bằng nhau. Muốn vậy phải đảm bảo các điều kiện sau đây :
1) Điện áp của máy phát UF phải bằng điện áp của lưới điện UL . 2) Tần số của máy phát fF phải bằng tần số của lưới điện fL . 3) Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện . 4) Điện áp của máy và của lưới phải trùng pha nhau.
Nếu không đảm bảo đúng các điều kiện nói trên khi ghép song song máy phát điện có thể xảy ra các sự cố nghiêm trọng, thí dụ như khi đóng cầu dao mà điện áp của máy phát và của lưới lệch pha nhau 180o thì sẽ tương đương với nối ngắn mạch của máy phát điện với điện áp UF – UL = 2UF ; dòng điện xung khi đóng cầu dao có thể lớn gấp hai lần dòng điện ngắn mạch thông thường ; lực và mômen điện từ sẽ lớn gấp bốn lần, phá hỏng dây quấn, kết cấu thép, lõi thép, trục …… của máy phát điện .
Khi ghép song song, việc điều chỉnh điện áp UF của máy phát đồng bộ thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy, tần số fF đựơc điều chỉnh bằng cách thay đổi mômen hoặc tốc độ quay của động cơ sơ cấp kéo của máy phát điện. Sự trùng
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ
pha giữa điện áp của máy phát điện và của lưới điện được kiểm tra bằng đèn vônmet có chỉ số không hoặc dụng cụ đo đồng bộ. Thứ tự pha của máy phát điện thường chỉ được kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy và hoà đồng bộ với lưới điện lần đầu.
Việc ghép song song máy phát điện vào hệ thống điện theo các điều kiện nói trên gọi là hoà đồng bộ chính xác máy phát điện. Trong một số trường hợp có thể dùng phương pháp hoà đồng bộ không chính xác nghĩa là không cần phải so sánh tần số, trị số góc pha các điện áp của máy phát điện cần được ghép song song và của lưới điện. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp tự đồng bộ. Dưới đây sẽ lần lượt xét các phương pháp hoà đồng bộ chính xác và tự đồng bộ.
4.3.2.1.Các phương pháp hoà đồng bộ chính xác:
Để ghép máy phát điện vào làm việc song song với lưới điện bằng phương pháp hoà đồng bộ chính xác, có thể dùng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn hoặc bộ hoà đồng bộ kiểu điện từ.
4.3.2.1.1.Hoà đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu ánh sáng:
Phương pháp này dùng cho các máy phát điện đồng bộ công suất nhỏ và được thực hiện hoặc với kiểu nối “tối” theo sơ đồ trên hình 4.20.a hoặc với kiểu ánh sáng đèn “quay” theo sơ đồ trên hình 4.20.b. Trong các sơ đồ trên hình 4.20.a và b, F1 là máy phát điện đang làm việc và F2 là máy phát điện cần đem ghép song song với F1 . Bộ đồng bộ kiểu ánh sáng đươc hình thành bằng các ngọn đèn 1, 2 và 3. it1 F1 + _ _ + F2 it2 D1 D2 1 2 3 V UL,fL UF,fF UF,fF UL,fL V 3 2 1 D2 D1 it2 F2 + _ _ + F1 it1 a) b)
Hình 4.20.Sơ đồ hòa đồng bộ máy phát điện kiểu nối “tối” (a) và kiểu ánh sáng đèn “quay” (b)
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ
Khi hòa đồng bộ theo kiểu nối tối (hình 4.20.a) mổi ngọn đèn 1,2,3 của bộ đồng bộ được nối giữa hai đầu tương ứng của cầu dao D2 . Trong quá trình hoà đồng bộ thường phải điều chỉnh đồng thời điện áp UF và tần số fF của máy phát điện F2 . Điện áp UF của máy phát điện được kiểm tra theo điều kiện UF = UL ( trong đó UL là điện áp của lưới điện và cũng là điện áp của máy phát điện F1 đang làm việc) bằng vônmet V có cầu dao đổi nối. Tần số và thứ tự pha đươc kiểm tra bằng bộ đồng bộ với ba đèn 1, 2 và 3. Khi tần số fF ≠ fL thì điện áp UF - UL đặt vào các đèn 1,2,3 sẽ có tần số fF - fL . Nếu thứ tự pha của máy phát điện và của lưới điện giống nhau thì cả ba ngọn đèn sẽ lần lượt cùng tối và cùng sáng như nhau với tần số fF – fL đó.
a) b)
Hình 4.21.Đồ thị véctơ điện áp khi nối “tối” (a) và khi nối theo ánh sáng “quay” (b)
Sở dĩ như vậy là vì các điện áp U đặt lên ba ngọn đèn chính là hiệu số các điện áp tương ứng của hai hình sao điện áp của máy phát điện F2 và của lưới điện, quay với các tần số góc F = 2fF nhưtrên hình vẽ 4.21.a. Rõ ràng là khi fE fL thì các điện áp đặt vào ba ngọn đèn sẽ thay đổi giống nhau trong phạm vi 0U 2UF và ba ngọn đèn sẽ cùng sáng và tối với hiệu các tần số fF - fL đó. Tiếp tục điều chỉnh tần số fF của máy phát F2 sao cho chu kỳ tối và sáng bằng
5 3
giây (nghĩa là lúc đó fF fL) và chờ cho các đèn tắt hẳn ứng với lúc điện áp của máy phát điện F2 và của lưới điện trùng pha nhau thì có thể đóng cầu dao D2 và việc ghép song song máy phát điện vào lưới điện được hoàn thành.
Khi hoà đồng bộ theo kiểu ánh sáng quay (hình 4.21b) thì hai trong ba ngọn đèn thí dụ các đèn 2,3 được nối với các đầu không tương ứng của cầu dao D2. Trong quá trình ghép song song nếu thứ tự pha giống nhau thì khi fF fL các đèn 1, 2, 3 sẽ lần lượt sáng và tối tạo thành áng sáng “quay”.Vì điện áp đặt vào các đèn đó sẽ không bằng nhau và
1 U 2 U 3 U 1 U 3 U 2 U LA U LC U LB U LA U LC U LB U FB U FC U FA U FA U FC U FB U
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ
thay đổi lần lượt trong phạm vi 0 U 2UF như trên hình 4.21b. Khi fF fL nếu ánh sáng quay theo một chiều nhất định thì khi fF fL ánh sáng sẽ quay theo chiều ngược lại. Tốc độ quay nhanh hơn hoặc chậm phụ thuộc vào sự khác nhau giữa fF và fL điều chỉnh cho fF = fL và tốc độ ánh sáng quay thật chậm (fF fL) và đợi cho khi đèn không nối chéo(đèn 1) tắt hẳn và các đèn nối chéo(2 và 3) sáng bằng nhau ứng với lúc các điện áp của máy phát điện và lưới điện trùng pha nhau thì có thể đóng cầu dao D2 .
Cần chú ý rằng khi hoà đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu đèn, nếu theo sơ đồ nối tối mà được ánh sáng quay hoặc nếu theo sơ đồ kiểu ánh sáng quay mà được kết quả đèn cùng sáng và tối thì như vậy là thứ tự pha của máy phát điện khác với thứ tự pha của lưới điện. Trong những trường hợp đó thì phải trao đổi hai trong ba đầu dây tức là hai trong ba pha của máy phát điện với cầu dao D2 .
4.3.2.1.2.Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ:
Trong các nhà máy điện có đặt các máy phát điện công suất lớn, để kiểm tra các điền kiện ghép song song các máy phát điện vào lưới điện người ta thường dùng cột đồng bộ tức là bộ đồng bộ kiểu điện từ. Cột đồng bộ gồm ba dụng cụ đo sau : một vônmet có 2 kim, một kim chỉ điện áp UF của máy phát điện, một kim chỉ điện áp UL của lưới điện ; một tần số kế có hai dãy phiến rung để chỉ đồng thời tần số fF của máy và tần số fL của lưới và một dụng cụ đo làm việc theo nguyên lý từ trường quay có kim quay với tần số fF –fL. Tốc độ quay của kim phụ thuộc số fF – fL và chiều quay của kim thuận hoặc ngược chiều kim đồng hồ tùy theo fF fL hoặc ngược lại. Khi fF = fL và kim quay thật chậm(fF fL) thì thời điểm đóng cầu dao là lúc kim trùng với đường thẳng đứng và hướng lên trên.
Việc hoà đồng bộ chính xác máy phát điện đòi hỏi nhân viên thao tác phải thật thành thạo và tập trung chú ý cao độ để tránh nhầm lẫn nhất là khi trong hệ thống điện lực đang có sự cố. Để giảm nhẹ công việc của nhân viên thao tác và tránh những nhầm lẫn có thể xảy ra sự cố, có thể dùng bộ hoà đồng bộ tự động giúp điều chỉnh tự động UF và fF của máy phát và tự động đóng cầu dao khi các điều kiện ghép song song đã được đảm bảo. Tuy nhiên vì khi trong lưới điện có sự cố, điện áp và tần số của lưới luôn thay đổi nên quá trình hoà đồng bộ tự động luôn kéo dài từ năm đến mười phút hoặc lâu hơn nữa. Vì thế gần đây trong một số trường hợp người ta thường dùng phương pháp tự đồng bộ.
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ
4.3.2.2.Phương pháp tự đồng bộ:
Việc ghép máy phát điện làm việc song song với lưới điện theo phương pháp tự đồng bộ được tiến hành như sau : Đem máy phát điện không được kích thích (UF = 0) với dây quấn kích thích được nối tắt qua điện trở triệt từ đến tốc độ sai khác với tốc độ đồng bộ khoảng 2% rồi không cần kiểm tra tần số, trị số và góc pha của điện áp cứ việc đóng cầu dao ghép máy phát điện vào lưới điện. Sau đó lập tức cho kích thích máy phát điện và do tác dụng của mômen đồng bộ, máy phát điện được lôi vào tốc độ đồng bộ (fF = fL), quá trình ghép máy phát điện làm việc song song trong lưới điện được hoàn thành.
Cần chú ý rằng việc đóng cầu dao nối máy phát điện chưa được kích thích vào lưới điện có điện áp UL tương đương với trường hợp ngắn mạch đột nhiên của lưới điện. Vì ngoài tổng trở của bản thân máy phát điện còn có tổng trở của các phần tử khác của lưới điện (m.b.a tăng áp, đường dây,…) nên dòng điện xung chạy trong máy phát điện không vượt qua ba hoặc bốn lần dòng điện định mức. Hơn nữa vì dây quấn kích thích được nối qua điện trở triệt từ nên dòng điện xung quá độ giảm rất nhanh.
160 120 80 40 3 2 1 it* I* U* I* U* =1 U* 0
Hình 4.22.Sự biến đổi của U, I, it của máy phát 100000 kW khi hoà đồng tự bộ vào lưới điện
Hình 4.22 cho thấy sự biến đổi của U, I và it khi đóng cầu dao ghép máy phát điện vào lưới điện bằng phương pháp tự đồng bộ. Phương pháp tự đồng bộ được phép sử dụng trong trường hợp Ixg < 3,5Iđm .
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ
4.3.3.Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát đồng bộ: Tải của hộ dùng điện trong lưới điện thường thay theo điều kiện của sản xuất hoặc Tải của hộ dùng điện trong lưới điện thường thay theo điều kiện của sản xuất hoặc cũng có thể có trường hợp tuy tải không thay đổi nhưng do điều kiện vận hành của lưới điện mà cần thiết phải thay đổi chế độ làm việc của các máy phát điện, do đó trên thực tế phải điều chỉnh công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát điện đồng bộ.
Ta hãy xét vấn đề ơ’ hai trường hợp điển hình :
_Trường hợp thứ nhất là trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện lực có công suất vô cùng lớn với U,f = const , hay nói khác đi tổng công suất của các máy phát điện đang làm việc trong hệ thống rất lớn so với công suất của máy phát điện đang được xét, do đó việc điều chỉnh P và Q của máy phát điện đó không làm thay đổi U, f của hệ thống điện.
_Trường hợp thứ hai là trường hợp chỉ có hai hoặc vài máy phát điện công suất tương tự làm việc song song và sự thay đổi chế độ làm việc của một máy sẽ làm thay đổi U, f chung của các máy phát điện đó.
4.3.3.1.Điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện đồng bộ :
4.3.3.1.1.Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cùng lớn:
Ở trường hợp này U và f là không đổi nên nếu giữ dòng điện kích thích it không đổi thì E là hằng số thì P là hàm số của góc . Ở chế độ chế độ làm việc xác lập công suất tác dụng P của máy ứng với góc nhất định phải cân bằng với công suất cơ trên trục làm quay máy phát điện. Đường biểu diễn công suất cơ của động cơ sơ cấp được biểu thị bằng đường thẳng song song với trục ngang và cắt đặc tính góc ở điểm A trên hình 4.23.
Pm m 1 P B Pcb P 0
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ
Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát thì phải thay đổi góc
, nghĩa là giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ trên trục máy.
Công suất tác dụng cực đại Pm mà máy phát điện có thể cung cấp cho hệ thống điện ứng với khi
d dP
= 0 . Aùp dụng điều kiện đó đối với biểu thức (24 - 14) của máy phát đồng bộ cực ẩn suy ra được m = 900 và : Pm = d x mUE ( 4.33 )
Cũng như vậy đối với máy cực lồi,ta có thể suy ra được góc m xác định bởi:
B A B A m 4 8 cos 2 2 Trong đó : , B mU2( 1 1 ) d q d x x x mEU A Và m d q m d m x x mU x mUE P ( 1 1 )sin2 2 sin 2 (4.34)
Khi điều chỉnh công suất tác dụng cần chú ý rằng máy phát điện đồng bộ chỉ làm việc ổn định khi 0 < < m. Để thấy rõ điều đó, giả sử rằng máy đang làm việc ở giao điểm A ứng với 1 < m. Nếu do một nguyên nhân nào đó công suất Pcơ của động cơ sơ cấp tăng lên trong một thời gian ngắn, Sau đó lại trở về trị số ban đầu thì rôto của các máy phát điện sẽ quay nhanh lên. Như vậy góc sẽ tăng thêm + và tương ứng cộng suất P sẽ tăng thêm P. Vì lúc đó công suất cơ Pcơ đã trở về trị số ban đầu nên P+ P >Pcơ , kết quả là rôto sẽ bị ghìm và máy phát điện trở lại làm việc ở góc ban đầu sau vài chu kỳ dao động. Trái lại nếu máy phát điện làm việc xác lập ở 2 > m ,ví dụ như điểm B trên hình 4.23 thì khi công suất cơ thay đổi như trên, góc tăng thêm sẽ làm cho P của máy phát điện giảm, như vậy P < Pcơ , kết quả là rôto quay nhanh thêm, góc càng tăng và máy phát điện sẽ mất đồng bộ với lưới điện.
Từ những điều nói trên ta thấy rằng, khi điều chỉnh công suất tác dụng mà muốn giữ cho máy phát điện làm việc ổn định thì phải có điều kiện sau:
Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ 0 d dP (4.35) trong đó d dP
được gọi là công suất chỉnh bộ đặc trưng cho khả năng giữ cho máy làm việc đồng bộ trong lưới điện và được ký hiệu bằng Pcb .
Từ các biểu thức trên ta suy ra được hệ số công suất chỉnh bộ đối với máy cực lồi: