VÀ CÁC TIÊU CHUẨN LIÊN QUAN
CHƯƠNG 7: ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG KÍCH THÍCH
7.1 CÁC YÊU CẦU VỀ ĐÁP ỨNG CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
Hầu hết các hệ thống kích thích được lắp đặt với hai chế độ vận hành, bộ điều chỉnh điện áp tự động và điều khiển bằng tay. Trong khi bộ điều chỉnh điện áp tự động giúp cung cấp công suất phản kháng và điện áp trợ giúp cho các mất cân bằng và cắt sự cố bằng rơle, thì bộ điều khiển bằng tay có xu hướng trở thành bộ sao chép, không cung cấp trợ giúp ổn định điện áp mà nó có thể gây nguy hiểm cho sự phối hợp rơle cắt sự cố. Ngoài ra, khả năng cắt khi xuất hiện mất kích thích hoặc trượt cực trên máy đồng bộ bởi vì quá ít kích thích khi công suất tác dụng được phát ra.
Do đó, cần vận hành trong chế độ điều chỉnh điện áp tự động trở nên rõ ràng. Khi xuất hiện giảm điện áp hệ thống do sự cố hệ thống, điện áp máy phát sẽ giảm theo % điện kháng giữa máy phát và điểm sự cố. Điện kháng nhỏ hơn, điện áp rơi lớn hơn. Trong đáp ứng, bộ điều chỉnh điện áp sẽ cảm nhận điện áp đầu cực thấp hơn và tăng điện áp kích thích máy phát để cố gắng tăng điện áp đầu cực máy phát và tăng cưỡng bức dòng điện cần thiết cho điểm sự cố để phối hợp với rơle cắt. Hình 2 đưa ra sơ đồ khối điển hình của máy phát và hệ thống kích thích với điều khiển điện áp tự động với giả sử có một điểm sự cố trong hệ thống.
Hình 2: Máy phát được nối song song tới thanh cái vô cùng lớn với sự cố chạm đất, điện kháng được giới hạn
Sau khi xoá sự cố, một bộ điều chỉnh điện áp với đáp ứng rất nhanh sẽ có thể cực đại hoá momen đồng bộ máy phát để ổn định rotor và cho phép xác lập trở lại máy phát đến trạng thái ổn định của nó. Xem hình 3.
Hình 3: Quá trình điều chỉnh ổn định thoáng qua sau sự cố, khi rotor trở về điểm vận hành tại trạng thái ổn định.
Dạng này được mô tả giống như quá trình ổn định thoáng qua. Quá trình ổn định thoáng qua đầu tiên được quan tâm là các ảnh hưởng ngay tức thời của sự mất cân bằng đường dây truyền tải trên máy phát đồng bộ. Hình 3 diễn tả đáp ứng điển hình của máy phát để đáp ứng điều kiện sự cố. Bắt đầu từ điểm vận hành ban đầu (điểm 1), sự cố chạm đất đường dây truyền tải gây ra công suất điện đầu ra máy phát Pe giảm mạnh mẽ. Kết quả sai lệch giữa công suất điện và công suất tuabin cơ gây ra rotor máy phát tăng nhanh để đáp ứng hệ thống, tăng góc công suất (điểm 2). Khi sự cố được xoá, công suất điện được phục hồi đến mức tương ứng tới điểm gần đúng trên đường cong góc công suất (điểm 3). Phụ thuộc vào việc xoá sự cố, một hoặc nhiều các phần tử truyền tải có thể được cắt ra khỏi hệ thống và tại điểm yếu nhất tạm thời hệ thống truyền tải. Điều này gây ra tổ máy hãm lại (điểm 4), việc giảm momen rotor qua sự cố. Nếu có đủ momen quán tính sau khi sự cố bị xoá để tạo gia tốc qua quá trình sự cố, máy phát sẽ ổn định thoáng qua tại chu kỳ đầu tiên và sẽ di chuyển trở về điểm vận hành của nó.
Nếu momen quán tính không đủ, góc công suất sẽ tiếp tục tăng cho tới khi đồng bộ với hệ thống điện bị mất. Ổn định hệ thống điện trong hệ thống truyền tải sau sự cố phụ thuộc vào một số hệ số bao gồm: hệ thống điều khiển bằng tay hoặc điều khiển điện áp tự động, thời gian cắt rơle để xoá sự cố, góc công suất của hệ thống truyền tải tại thời điểm sự cố, và tính mãnh liệt của việc mất cân bằng.
Vấn đề khác được biết như là ổn định đối với tín hiệu dao động nhỏ. Trong khi các hệ thống kích thích nhanh quan trọng với việc cải thiện ổn định thoáng qua theo sau các mất cân bằng lớn hệ thống, hệ thống kích thích đáp ứng nhanh cũng có thể góp phần đáng kể tổng hệ số tắt âm mà nó giảm momen hệ số tắt tự nhiên của hệ thống gây ra không giảm các dao động công suất tác dụng sau khi mất cân bằng. Điều này có thể xuất hiện nếu máy được nối tới đường dây truyền tải yếu hoặc trở kháng cao ở đây nói tải xa so với các nhà máy phát điện.
Do đó 1 hệ thống kích thích có khả năng góp phần làm không ổn định đối với các tín hiệu dao động nhỏ của các hệ thống điện. Ổn định tín hiệu nhỏ được định nghĩa như khả năng hệ thống điện duy trì ổn định trong khi tạo ra các mất cân bằng nhỏ. Các mất cân bằng đó nên được xem như các biến đổi tải hoặc sinh ra trên hệ thống. Nếu khả năng giảm momen không xuất
hiện, kết quả có thể các dao động góc rotor tăng biên độ. Ở đây có các dao động công suất tác dụng được tạo ra, máy có thể cuối cùng bị cắt bởi mất đồng bộ tổ máy hoặc nguy hiểm đến thân tuabin. Xem hình 4.
Với các hệ thống kích thích điện rất cũ, đáp ứng thoáng qua tương đối chậm so với các hệ thống được cung cấp ngày nay. Đáp ứng chậm này rất nhỏ.
Hình 4: Hình trên ghi lại đáp ứng thoáng qua bằng việc giảm dao động ngay chu kỳ đầu tiên bằng bộ điều chỉnh điện áp, hình dưới diễn tả dao động công suất tác dụng
tăng sau chu kỳ dao động đầu tiên.
Để giải quyết vấn đề này, một bộ PSS được sử dụng để kết hợp với bộ điều chỉnh điện áp tạo ra hệ số tắt dương khi xuất hiện các dao động công suất tác dụng. Với sự trợ giúp của PSS, hệ thống kích thích sẽ thay đổi từ thông máy phát để tạo ra momen trong rotor trùng khớp với dao động công suất tác dụng rotor. Các dao động công suất tác dụng sau sự cố có thể thay đổi tần số từ 0,1 đến 0,7Hz đối với chế độ dao động của vùng liền kề và 0,7 đến 2Hz đối với chế độ dao động tại chỗ.
7.2 CÁC YÊU CẦU VỀ BỘ PSS
PSS để cải thiện ổn định động của hệ thống. Qua nhiều năm, kích cỡ của máy tăng kèm theo ở đó PSS cũng được sử dụng tăng dần từng bước. Với khả năng truyền tải bị hạn chế do đó khi tải tăng cao trong hệ thống, các đường dây truyền tải bị quá tải, mà nó gây ra tổn thương cho các thành phần của chúng và có khả năng xảy ra việc các đường dây được duy trì liên tục hoặc bị tạo ra dao động sau sự cố. Xem hình 4. PSS tránh cần thiết đối với các hệ thống truyền tải yếu đó. Với các máy vượt quá 30MVA hoặc các nhóm máy mà vượt quá 75MVA, với các hệ thống kích thích được lắp đặt sau 18/11/1993 yêu cầu bổ sung PSS nếu kích thích phải thực hiện tiêu chuẩn. Đặc biệt nếu hệ thống kích thích có băng thông không
lớn hơn 135 độ sớm pha tại 1Hz. Đối với các hệ thống đó. PSS được coi là thích hợp để áp dụng. Khi PSS được sử dụng, đáp ứng hệ thống kích thích được hiệu chỉnh rất có tác dụng với sai lệch điện áp đầu cực để cải thiện ổn định thoáng qua của hệ thống đối với chu kỳ dao động rotor đầu tiên. Như là quá trình ổn định thoáng qua đã đề cập, dao động tự nhiên trong hệ thống được phục hồi bởi PSS.
Khi PSS được sử dụng, các đáp ứng điện áp bước cần được thực hiện để kiểm tra đặc tính đáp ứng và tính hiệu lực sau hiệu chỉnh. Các bộ hạn chế cũng được kiểm tra để đảm bảo một hệ thống ổn định.
Ví dụ: Trong hình 5 giải thích đặc tính bộ hạn chế kém kích thích thực hiện ưu tiên trước khi PSS được cho phép. Chú ý độ lớn dao động công suất tác dụng mà nó tạo ra sau thay đổi 2% điện áp bước đã được đưa vào với máy phát được nối tới hệ thống truyền tải. Kiểm tra này giải thích rằng không có PSS thì các hệ số kích thích được đưa vào hệ thống điện không ổn định. Chú ý cách tạo ra biên độ các dao động công suất.
Hình 5: Kiểm tra bước UEL giải thích hệ số vượt quá, chú ý tăng dao động công suất tác dụng không có PSS
Trong hình 6 PSS biểu diễn giản đồ qua bước kiểm tra bộ hạn chế kém kích thích. Ở đây các dao động công suất tác dụng ổn định với sự trợ giúp của PSS để giảm các dao động tổ máy để đạt được đặc tính tổ máy tốt.
Hình 6: Thay đổi bước -2% giải thích ổn định bộ hạn chế kém kích thích UEL có PSS 7.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM HIỆN ĐẠI
Để đảm bảo hệ thống truyền tải được nối liên thông đáng tin cậy hơn ta thực hiện mô phỏng đáp ứng điện đối với các thành phần trong các mạng liên thông. Để dự đoán đáp ứng của hệ thống qua quá trình sự cố và sau sự cố, máy phát và các loại kích thích đã trở nên các công cụ làm tăng thêm phần quan trọng đối với hệ thống truyền tải. Các kiểu sơ đồ cung cấp của đường dây truyền tải đưa ra khả năng để phân tích đặc tính máy phát cũng như đáp ứng hoàn chỉnh của hệ thống nối liên thông qua quá trình mất cân bằng. Do đó, hệ thống truyền tải cực kỳ quan trọng giúp ta có các thông số chính xác mà nó có thể được sử dụng để quyết định nên sử dụng loại máy phát, thiết bị kích thích và hệ thống nào.
Hình 7: Sơ đồ hiện đại cho hệ thống kích thích số với hệ thống kích thích chỉnh lưu quay loại ST4B
Hình 7: Đường cong bão hoà máy phát không tải điển hình
Hình 7 đưa ra một ví dụ về một kiểu hệ thống kích thích số. Các biến biến đổi theo từng chức năng ứng dụng (ví dụ: máy phát dùng bộ kích thích quay hoặc kích thích tĩnh cung cấp cho từ trường chính) và tốc độ đáp ứng của bộ điều chỉnh điện áp. Thông số kiểm tra được lựa chọn từ máy phát và hệ thống kích thích để xác nhận chính xác các hệ số đối với các điều kiện khác nhau.
Các kiểm tra sau đây được thực hiện bởi nhân viên kỹ thuật:
1. Đường cong bão hoà máy phát không tải với đo lường điện áp kích thích, dòng điện kích thích để xác định các đặc tính bão hoà khe hở không khí máy phát. Xem hình 7 2. Cắt tổ máy với 0MW và nhận 20% công suất phản kháng trong chế độ điều chỉnh điện
áp để thiết lập các thông số kích thích.
3. Cắt tổ máy với 0MW trong chế độ điều khiển bằng tay để thiết lập điện kháng bên trong máy phát như là X“d, X‘d, T“d, T‘do.
4. Cắt máy phát tại 10%MW để xác định hằng số quán tính và đặc tính của bộ điều tốc.
5. Đáp ứng kích thích trong chế độ AVR và chế độ bằng tay bằng thực hiện các thay đổi điện áp bước với máy phát hở mạch.
7.4 YÊU CẦU CHUYỂN ĐỔI CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG, BÙ ĐIỆN ÁP
Khả năng trợ giúp để duy trì điện áp hệ thống có thể yêu cầu phải sử dụng đầy đủ giới hạn khả năng công suất phản kháng phát của máy phát đồng bộ, từ đó thiết lập các giới hạn dưới trước và sau các điều kiện có thể xảy ra để tránh mất ổn định điện áp hoặc rã hệ thống.
Khi hệ thống mang tải nhẹ hoặc khi sự cố đường dây đã được cắt ra một phần của đường dây truyền tải, kết quả có thể làm tăng điện áp hệ thống. Để giảm thấp điện áp hệ thống, công suất phản kháng cần phải được nhận vào máy trong vùng kém kích thích của máy phát. Bộ điều chỉnh điện áp cung cấp hoạt động chính xác bởi việc nhận biết điện áp đầu cực cao và gây ra việc giảm trong từ trường kích thích. Hoạt động điều chỉnh chính xác của bộ điều chỉnh điện áp để duy trì momen đồng bộ đối với công suất đầu ra máy phát, mà nó có thể gây ra cắt bởi mất kích thích do rơle. Để tránh điều này, bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng với một bộ hạn chế kém kích thích (UEL) mà nó giới hạn công suất phản kháng cực đại có thể nhận vào máy phát dựa vào tải công suất tác dụng của máy. Khi tải có công suất tác dụng lớn nhất, một vài công suất phản kháng có thể được nhận vào máy. Do đó phối hợp của các bộ hạn chế ngược với giới hạn khả năng công suất phản kháng cực đại, rơle mất kích thích và hạn chế ổn định trạng thái ổn định là điều quyết định đối với ổn định máy.
Việc kiểm tra được đưa ra để xác định công suất phản kháng cực đại mà máy phát có thể nhận dưới các điều kiện bình thường. Từ đó vùng kích thích thấp đưa ra điểm làm việc ổn định ít nhất của máy, cả hai việc kiểm tra trạng thái ổn định tĩnh và động được thực hiện để kiểm tra ổn định hệ thống khi bộ hạn chế kém kích thích hoạt động lúc máy nhận công suất phản kháng và máy phát phát công suất tác dụng cực đại.
Kiểm tra đồng bộ hạn chế kém kích thích rất quan trọng để kiểm tra ổn định tổ máy khi hệ thống bất ngờ bị cưỡng bức vào giới hạn kém kích thích qua quá trình mất cân bằng.
Khi kiểm tra ta thay đổi 2% điện áp bước được đưa vào qua điểm chung bộ điều chỉnh điện áp với máy đồng bộ được nối tới hệ thống. Thí nghiệm kiểm tra ổn định bộ hạn chế kém kích thích có thể thay đổi để kiểm tra ổn định tại các giới hạn tải nhỏ hơn định mức.
Khả năng phát công suất phản kháng cực đại từ máy phát để đảm bảo tăng thời gian ngắn mạch cũng như mở rộng khả năng phát công suất phản kháng của máy tại công suất biểu kiến định mức. Qua sự cố, hệ thống kích thích máy phát sẽ được yêu cầu cung cấp cường hành kích thích để trợ giúp sự suy giảm điện áp hệ thống đến điện áp cực đại. Lúc này máy phát yêu cầu mở rộng khả năng công suất phản kháng của nó trong thời gian ngắn mạch để phục hồi độ sụt điện áp về giá trị bình thường. Khi kích thích bị quá nhiệt, các bộ hạn chế kích thích cực đại cần hạn chế các ảnh hưởng nhiệt đến giá trị an toàn để tránh nguy hiểm cho mạch kích thích. Khi thực hiện các bước thí nghiệm để kiểm tra máy tại khả năng cực đại của nó, vấn đề an toàn cho máy sẽ được quan tâm. Để kiểm tra ổn định tổ máy, sự kiểm tra thường được thực hiện tại các mức thấp của kích thích và đầu ra máy để đảm bảo an toàn cho hệ thống. Việc kiểm tra yêu cầu sự ước lượng các rơle bảo vệ máy phát, như là quá áp máy phát, quá điện áp/
quá dòng điện kích thích để phối hợp kiểm tra.
Công suất phản kháng cực đại của máy phát là khả năng phát công suất phản kháng
của máy, điều này quan trọng để kiểm tra các điều kiện có thể xảy ra trên hệ thống qua sự suy giảm khác nhau các mức điện áp truyền tải.
Các bộ hạn chế như là V/Hz được thí nghiệm theo chức năng và kiểm tra đặc tính. Ở đây, tần số đầu cực được thay đổi hoặc điện áp đầu cực được tăng dưới mức của rơle V/Hz để phối hợp kiểm tra chính xác cho cả hai thiết bị. Xem hình 12.
Hình 12: Bộ hạn chế V/Hz phải được phối hợp với bảo vệ V/Hz
Ở đây các bộ hạn chế dòng điện stator được sử dụng, các bước kiểm tra được thực hiện để đảm bảo ổn định máy bao gồm hạn chế trong cả hai vùng kém và quá kích thích của máy phát. Tầm quan trọng của việc kiểm tra các bộ hạn chế là để kiểm tra máy không phát triển việc bị mất ổn định khi các bộ hạn chế bị vượt quá các hệ số đặt.
7.5 CÁC VẤN ĐỀ QUAN TÂM KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ SỐ CÔNG SUẤT/VAR
Qua nhiều năm, điều khiển Var/PF đã trở thành phổ biến, việc lựa chọn các dạng điều khiển được sử dụng thay cho bộ điều chỉnh điện áp tự động đối với các máy nhỏ. Các máy nhỏ xu hướng được phân loại theo điện áp mà nó có ảnh hưởng ít đối với khả năng ổn định điện áp hệ thống. Bộ điều khiển Var cung cấp một điều khiển phụ vào trong vòng hồi tiếp bộ điều chỉnh điện áp tự động để tạo ra hệ thống điều chỉnh theo hằng số Var thay cho chế độ điều chỉnh điện áp đầu cực. Xem hình 13. Vận hành tại hệ số công suất đồng nhất sẽ kéo dài tuổi thọ của máy bởi vì máy sẽ chạy mát hơn.