NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT – PSS

Chuyên ngành : Tự động hóa - TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN

ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT – PSS

NGUYỄN ĐỨC NINH

TN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ

THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT - PSS

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

Học Viên: NGUYỄN ĐỨC NINH

Người HD Khoa học: TS PHẠM QUANG ĐĂNG

THÁI NGUYÊN – 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngày hoàn thành đề tài :

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG

NGUỒN CÔNG SUẤT - PSS

Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Quang Đăng

Trung tâm Nghiên cứu Triển khai công nghệ cao – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 7

1 Tính cấp thiết của đề tài 7

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7

3 Phương pháp nghiên cứu 7

4 Phạm vi nghiên cứu 8

5 Kết cấu luận văn 8

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HÕA LƯỚI 9

1.1 Máy phát điện đồng bộ 9

1.1.1 Giới thiệu chung 9

1.1.2 Kết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha 9

1.1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 9

1.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 10

1.2.1 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ 10

1.2.2 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ 12

1.2.3 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K 12

1.2.4 Đặc tính ngoài 13

1.2.5 Đặc tính điều chỉnh 14

1.2.6 Đặc tính tải 15

1.3 Điều chỉnh công suất trong máy phát 16

1.3.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P 17

1.3.2 Điều chỉnh công suất phản kháng Q 20

1.4 Mô hình toán máy phát điện đồng bộ 21

1.4.1 Phương trình máy phát điện đồng bộ trong hệ trục 3 pha 21

1.4.2 Phương trình máy điện đồng bộ viết ở hệ trục vuông góc 23

1.4.2.1 Phương trình stato 24

1.4.2.2 Phương trình rôto 25

1.4.2.3 Phương trình từ thông 26

1.4.2.4 Phương trình mômen 29

1.4.3 Phương trình máy điện đồng bộ viết ở đại lượng tương đối 30

1.4.3.1 Các đại lượng so sánh cơ bản 30

1.4.3.2 Phương trình máy điện đồng bộ trong hệ đơn vị tương đối 31

1.5 Máy điện đồng bộ trong hệ thống điện 33

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT 36

2.1 Hệ thống kích từ máy phát điện 36

2.1.1 Khái niệm 36

2.1.2 Các thành phần của hệ thống kích từ 36

2.1.3 Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát 37

2.1.4 Bộ chỉnh lưu kích từ thyristor 38

2.1.5 Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ 38

2.1.5.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều 38

2.1.5.2 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao 39

2.1.5.3 Hệ thống kích từ không chổi than 40

2.1.5.4 Hệ thống kích từ tĩnh (Static Exciter) 41

2.1.6 Thiết lập hệ phương trình của hệ thống điều chỉnh kích từ 42

2.1.6.1 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (Automatic Voltage Regulator) 42

2.1.6.2 Thiết lập hệ phương trình của hệ thống điều chỉnh kích từ 43

2.2 Hệ thống ổn định công suất 45

2.2.1 Trạng thái ổn định 45

2.2.2 Trạng thái ổn định tức thời 46

2.2.3 Tác động của hệ thống kích từ đối với sự ổn định 47

2.2.4 Ổn định các kích động nhỏ 48

2.2.4.1 Dao động máy phát khi làm việc song song với lưới điện 48

2.2.4.2 Dao động cưỡng bức của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở chế độ ốc đảo (dao động nội tại của máy phát điện) 51

2.2.4.3 Dao động liên khu vực 51

2.2.5 Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) 52

2.2.6 Triệt tiêu các dao động cơ điện 53

2.3 Phân loại các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất 54

2.3.1 Các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất dựa trên tín hiệu tốc độ 54

2.3.2 Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất đầu vào kép 55

2.3.2.1 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2A 56

2.3.2.2 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS2B 57

2.3.2.3 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS3B 58

2.3.2.4 Thiết bị ổn định công suất đầu vào kép PSS4B 58

2.3.3 Lựa chọn thiết bị ổn định công suất 59

2.3.3.1 Tín hiệu tốc độ 59

2.3.3.2 Bộ lọc xoắn 59

2.3.3.3 Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định 60

2.4 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát có PSS 60

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT 62

3.1 Phương pháp thiết kế PSS 62

3.1.1 Phương pháp tiếp cận mômen tắt dần 62

3.1.2 Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số 63

3.1.3 Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái 63

3.2 Mô hình máy phát điện cổ điển 66

3.3 Ảnh hưởng của động học mạch từ máy phát điện đồng bộ 68

3.4 Xây dựng ma trận trạng thái 74

3.5 Ảnh hưởng của hệ thống kích từ 78

3.6 Thiết kế bộ điều khiển PSS 80

3.6.1 Thiết kế bộ điều khiển 80

3.6.2 Tính toán các thông số phục vụ cho mô phỏng 87

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT 93

4.1 Mục đích của mô phỏng 93

4.2 Các thành phần chính và tham số của hệ thống mô phỏng 93

4.2.1 Máy phát điện đồng bộ 93

4.2.2 Hệ thống kích từ 93

4.2.3 Bộ điều khiển PSS 94

4.2.4 Hệ thống điều tốc governor 94

4.2.5 Máy biến áp 94

4.2.6 Các phần tử khác 95

4.3 Mô hình mô phỏng hệ thống 95

4.4 Kết quả mô phỏng 95

4.4.1 Dạng đáp ứng đầu ra PSS 95

4.4.2 Dạng đáp ứng đầu ra của hệ thống kích từ 96

4.4.3 Sai lệch góc phụ tải 96

4.4.4 Dạng điện áp đầu cực máy phát 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ĐL Máy biến áp đo lường

BĐ Thiết bị biến đổi(chỉnh lưu và lọc)

SS Khối so sánh

TCL Chỉnh lưu thyristor

MBA Máy biến áp

MF Máy phát

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng……… 9

Hình 1.2: Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi……… 11

Hình 1.3: Đặc tính không tải máy phát: Tuabin hơi(1), máy phát tuabin nước(2)……… 12

Hình 1.4: Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ……… 13

Hình 1.5: Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ……… 14

Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ……… 15

Hình 1.7: Xác định đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng……… 15

Hình 1.8: Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện… 17

Hình 1.9: Đồ thị véc tơ suất điện động……… 20

Hình 1.10: Họ các đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ……… 21

Hình 1.11: Biểu diễn hệ số tự cảm cuộn dây pha a stato……… 27

Hình 1.12: Biểu diễn hệ số hỗ cảm giữa các pha stato……… 28

Hình 2.1: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều……… 39

Hình 2.2: Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao…… 40

Hình 2.3: Hệ thống kích từ không chổi than……… 41

Hình 2.4: Hệ thống kích từ tĩnh……… 42

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc TĐK tác động mạnh……… 42

Hình 2.6: Sơ đồ khối cấu trúc và hàm truyền hệ TĐK tác động mạnh…… 44

Hình 2.7: Trạng thái ổn định tức thời……… 46

Hình 2.8: Ảnh hưởng của tác động nhanh đến hệ thống kích từ………… 47

Hình 2.9: Thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất dựa vào tín hiệu tốc độ PSS1A……… 54

Hình 2.10: Sơ đồ khối thiết bị ổn định công suất PSS2A……… 57

Hình 2.11: Sơ đồ khối thiết bị ổn định công suất PSS2B……… 57

Hình 2.12: Mô tả PSS2A và PSS2B kết nối với hệ thống tuabin − máy phát 58 Hình 2.13: Sơ đồ khối của thiết bị ổn định công suất PSS3B……… 58

Hình 2.14: Sơ đồ khối của thiết bị ổn định công suất PSS4B……… 58

Hình 2.15: Khâu lọc thông cao……… 59

Hình 2.16: Bộ lọc các thành phần xoắn……… 60

Hình 2.17: Khâu khuếch đại và bù pha……… 60

Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp và ổn định công suất máy phát đồng bộ……… 61

Hình 3.1: Mô hình hệ thống máy phát điện cổ điển……… 66

Hình 3.2: Sơ đồ khối máy phát cổ điển……… 67 Hình 3.3: Sơ đồ khối biểu diễn véc tơ điện áp máy phát và điện áp cuối

Hình 3.4: Sơ đồ mạch thay thế tương đương máy phát điện……… 69

Hình 3.5: Hệ thống lưới với nhiều máy phát đồng bộ……… 71

Hình 3.6: Sơ đồ tương đương với máy phát……… 76

Hình 3.7: Hệ thống kích từ thyristor với AVR……… 79

Hình 3.8: Mô hình sơ đồ khối hệ thống kích từ và máy phát đồng bộ với AVR……… 80

Hình 3.9: Mô hình sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát đồng bộ bao gồm AVR và PSS……… 81

Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống kích từ thyristor AVR và PSS……… 83

Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc của mô hình hệ thống kích từ yêu cầu cao…… 86

Hình 4.1: Mô hình máy phát điện đồng bộ……… 93

Hình 4.2: Hệ thống kích từ……… 93

Hình 4.3: Bộ điều khiển PSS……… 94

Hình 4.4: Hệ thống điều tốc governor……… 94

Hình 4.5: Máy biến áp ba pha……… 95

Hình 4.6: Sơ đồ mô phỏng hệ thống trong Matlab − Simulink……… 95

Hình 4.7: Đáp ứng điện áp đầu ra PSS……… 96

Hình 4.8: Đáp ứng đầu ra của hệ thống kích từ……… 96

Hình 4.9: Sai lệch góc phụ tải……… 97

Hình 4.10: Đáp ứng điện áp đầu cực máy phát……… 97

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế sau đổi mới, làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến Để đáp ứng được sự gia tăng đó, chúng ta đang xây dựng rất nhiều các nhà máy điện như: thủy điện Sơn La, nhiệt điện Vĩnh Tân 2, nhiệt điện Vũng Áng… đồng thời mở rộng các nhà máy nhiệt điện đang có: Phả Lại 2, Uông Bí, Cẩm Phả, trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ… Đặc biệt là việc phát triển các nhà máy thủy điện nhỏ: thủy điện Nho Quế 3 hay thủy điện Nậm Ly…, phần lớn thiết bị của chúng là ngoại nhập

Trong các nhà máy điện thì máy phát điện đồng bộ là thiết bị quan trọng, mà hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện Nên khi vận hành cần quan tâm đến các vấn đề:

Một là khi hệ thống bị tác động bởi sự cố hoặc khi phụ tải thay đổi nhanh, dẫn đến công suất phát ra sẽ thay đổi xuất hiện sự mất đồng bộ của máy phát điện đồng bộ, thời gian kéo dài có thể gây phá hủy máy

Hai là khi vận hành các tổ máy phát điện đồng bộ làm việc song song trong một nhà máy hay quá trình hòa vào lưới điện, làm xuất hiện các dao động, ảnh hưởng đến chế độ làm việc của hệ thống điện, nếu thời gian kéo dài làm cho chất lượng điện năng giảm

Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống, thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) đã được sử dụng cho mục đích này [7, 8, 9]

Cho đến nay thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS) đã được rất nhiều các tác giả nước ngoài quan tâm, tuy nhiên trong nước thì rất ít tác giả hay tài liệu nói đến PSS Do đó trong quá trình xây dựng, cũng như để hòa lưới cho các nhà máy gặp nhiều khó khăn như: thiết bị ngoại nhập có giá cao làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, tài liệu viết bằng tiếng anh…

Đề tài này, nhằm nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất (PSS), góp phần giải quyết được những khó khăn trên

Với những lý do nêu trên, tác giả mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PSS với hy vọng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, làm giảm chi phí đầu tư, tăng tỷ lệ nội địa hóa cho các trạm phát điện mới và nâng cao hiệu quả hoạt động của các trạm phát điện hiện có

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mới xây dựng bộ điều khiển để ổn định hệ thống công suất, nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất PSS

Ý nghĩa thực tiễn: Làm chủ được công nghệ thiết kế và chế tạo thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất, ứng dụng cho các trạm phát điện vừa và nhỏ

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

− Tham khảo sách giáo khoa, giáo trình, tài liệu… về hệ thống điện, máy phát điện,

Mô phỏng:

− Thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất

− Ứng dụng kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu

lý thuyết

− Phát triển luật điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất

4 Phạm vi nghiên cứu

Phát triển luật điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất

Xây dựng bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất

5 Kết cấu luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn sẽ trình bày trong 4 chương: Chương 1: Nghiên cứu về hệ thống điện và máy phát điện trong điều kiện hòa lưới Chương 2: Nghiên cứu về hệ thống kích từ của máy phát điện và thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ MÁY

PHÁT ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HÕA LƯỚI

1.1 Máy phát điện đồng bộ

1.1.1 Giới thiệu chung

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong đó phần lớn chúng được sử dụng làm máy phát điện có nghĩa là biến đổi cơ năng thành điện năng Điện năng chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hay tuabin nước Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn, vì khác với động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng Với công nghệ chế tạo hiện đại công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng trăm MW, các máy phát điện thường được

sử dụng làm việc song song với nhau, nhưng cũng có thể làm việc độc lập ở các lưới điện công suất nhỏ như: các nhà máy thủy điện có công suất nhỏ

Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ trường phần ứng n1 gọi là máy phát điện đồng bộ Ở chế độ xác lập máy phát điện đồng bộ có tốc

độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi

1.1.2 Kết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha

Máy phát điện đồng bộ 3 pha bao gồm 2 bộ phận chính là Stato và Rôto:

Stato của máy phát điện đồng bộ cũng giống như stato của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là lõi thép stato và dây quấn 3 pha stato Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dầy 0.5 mm, hai mặt có phủ lớp sơn cách điện và dọc chiều dài của lõi thép có các rãnh thông gió đặt nằm ngang trục để làm mát Lõi thép stato được đặt cố định trên thân máy, dây quấn stato gọi là dây quấn phần ứng và được đặt trong các rãnh của stato

Rôto máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ Có thể phân rôto thành 2 loại chính: rôto cực ẩn và rôto cực lồi

Rôto cực ẩn: thường dùng cho các máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao

Rôto cực lồi: thường dùng cho các máy phát tuabin nước có tốc độ quay thấp

1.1.3 Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

Chúng ta biết rằng máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng theo sơ đồ nguyên lý hình 1.1 sau đây:

Hình 1.1: Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng

Trong đó các năng lượng cơ dạng sơ cấp (như thế năng của nước ở các hồ đập, nhiệt năng của các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt, năng lượng hạt nhân hay sức gió, thủy triều…) qua một số khâu trung gian được đưa vào tuabin nối với rôto của máy phát Khi rôto được quay bằng các năng lượng sơ cấp trên và cho dòng kích từ vào dây quấn kích từ

sẽ tạo nên từ trường rôto Từ trường của rôto sẽ cắt qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứng một sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng:

Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong không gian một góc là 1200

điện, cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc pha là 1200 Khi dây quấn nối với tải, trong các pha sẽ có dòng điện ba pha Dòng điện ba pha trong dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ n f

p

1

60*

 đúng bằng tốc độ quay (n) của rôto Trong hệ thống điều chỉnh điện

áp máy phát sử dụng phương pháp thay đổi từ thông của máy phát từ việc thay đổi dòng điện kích từ

1.2 Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Khi vận hành bình thường máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải đối xứng Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát Công suất cung cấp cho tải không vượt quá giá trị định mức mà chỉ cho phép nhỏ hơn hoặc bằng công suất định mức Mặt khác ở chế độ này thông qua các đại lượng như điện áp, dòng điện đầu cực máy phát, dòng kích từ, hệ số công suất cos, tần số f và tốc độ quay n ta có thể xây dựng nên các đặc tính làm việc

Để phân tích đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3 đại lượng chủ yếu là U (điện áp ở đầu dây quấn phần ứng), I (dòng điện tải trong dây quấn phần ứng), it (dòng điện kích thích) để thành lập các đường đặc tính

1.2.1 Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ

Khi máy phát đồng bộ làm việc ở chế độ tải là đối xứng, phương trình cân bằng điện

áp của một pha có dạng tổng quát như sau:

Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện trong dây quấn stato sẽ sinh ra từ trường của dây quấn stato và còn gọi là từ trường phần ứng Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ F t và từ trường phần ứng F ö sinh ra, khi mạch từ của máy không bão hòa

có thể xem như các từ trường F t, F ö độc lập sinh ra trong dây quấn các sức điện động E0

Hình 1.2: Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi

q I

=E jI x0 d djI x Ir q q ö (1.9)

Trong đó: x xd  öd xö là điện kháng đồng bộ dọc trục

x xq  öq xö là điện kháng đồng bộ ngang trục

1.2.2 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính không tải là quan hệ E U0  0  f i t khi I 0 và f  f ñm

Dạng đặc tính không tải có thể biểu thị theo đơn vị tương đối:

Như trên hình 1.3, trong đó i tñm0là dòng điện không tải khi U U ñm

Hình 1.3: Đặc tính không tải máy phát: Tuabin hơi (1), máy phát tuabin nước (2) Mạch từ của máy phát điện tuabin hơi bão hòa hơn mạch từ của máy phát điện tuabin nước, khi E0 = Uđm = E= 1, đối với máy phát điện tuabin hơi kd k 1.2, còn đối với máy phát điện tuabin nước kd 1.06

1.2.3 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K

Đặc tính ngắn mạch là quan hệ I n  f i t khi U=0 và f f ñm (khi đó dây quấn phần ứng được nối tắt ngay ở đầu máy) Nếu bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng (r ö 0) thì mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm ( =900) như vậy Iq = Icos = 0 và Id = Isin = I Theo biểu thức (1.9) ta có:

E*

Theo định nghĩa trên ta suy ra : ñm

no d

U I x

Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy phát điện đồng bộ Với K lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp U nhỏ và sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định khi tải dao động, nhưng muốn K lớn thì xd phải nhỏ nghĩa là phải tăng khe hở  đồng nghĩa với việc phải tăng dây quấn kích thích từ dẫn đễn phải tăng kích thước máy Kết quả là giá thành cao

1.2.4 Đặc tính ngoài

Đặc tính ngoài là quan hệ U f I   khi it = const, cos= const và f f ñm Nó cho thấy khi phải thay đổi tải sao cho cos= const rồi đo U và I ứng với các trị số khác nhau của tải Trong mỗi trường hợp phải điều chỉnh dòng điện kích thích sao cho khi I I  ñm

I

I=f(i t )

có U U ñm, sau đó giữ không đổi khi tải thay đổi Dòng điện it ứng với U U ñm; I I ñm; cos= cosñm ; f f ñm được gọi là dòng điện từ hóa định mức

Hình 1.5: Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

Từ hình 1.5 cho thấy các đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất của tải, tải có tính chất cảm khi I tăng, phản ứng khử từ của phần ứng tăng, điện áp giảm và đường biểu diễn

đi xuống Nếu tải có tính chất dung khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng

và đường biểu diễn đi lên

Độ thay đổi điện áp định mức U ñm của máy phát điện đồng bộ theo định nghĩa là

sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cos= cosñmđến không tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích Trị số U ñm thường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức: ñm

ñm

ñm

E U U

0

8 0 cos   (điện cảm)

I

I đm

Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

Hình 1.7: Xác định đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện

it

ito

8 0

8 0 cos   (điện dung)

1 cos  

Cách tính ngắn mạch như đường 2 hình 1.7: Để có trị số I I n  ñm, dòng điện kích thích im hoặc sức điện động Fm cần thiết bằng Fm ≡ Im = OC Khi máy làm việc ở chế độ ngắn mạch, sức từ động của cực từ Fm = OC gồm các phần:

− Một phần để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = kưd.Fưd sinh ra Eưd

− Phần còn lại OB = OC − BC sẽ sinh ra sức điện động tản từ Eö= I x ñm ö = AB Điểm A nằm trên đoạn đặc tính không tải (đường 1) vì lúc đó mạch từ không bão hòa Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi là tam giác điện kháng, các cạnh

BC và AB của tam giác đều tỉ lệ với dòng điện tải định mức I ñm.

Cách thành lập đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng được tiến hành như sau: Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC (hoặc tam giác OAC) sao cho đỉnh A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuần cảm (đường 3) Nếu các cạnh của tam giác điện kháng được vẽ tỉ lệ với dòng điện tải I I ñm

thì đặc tính tải thuần cảm U f i   t trên là ứng với I I ñm Để chứng minh ta cần chú ý, ở hai trường hợp ngắn mạch I I ñm và tải thuần cảm với I I ñm, sức từ động Eö và phản ứng khử từ Fưd không đổi do các cạnh AB = Eö và BC = kưd.Fưd của tam giác điện kháng không đổi Như vậy với một sức từ động tùy ý của cực từ F0 = OP lúc không tải, điện áp đầu cực máy U0 = E0 = PM, còn khi có tải thuần cảm với I I ñm điện áp đầu cực máy U =

PC’ Sở dĩ như vậy vì lúc đó có tải thuần cảm sức từ động có hiệu lực chỉ bằng OP − PQ =

1.3 Điều chỉnh công suất trong máy phát

Tải của hộ dùng điện trong lưới điện thường thay đổi theo điều kiện sản xuất và tiêu dùng Có trường hợp tải không thay đổi nhưng do điều kiện vận hành của lưới điện nên phải thay đổi chế độ làm việc của máy phát điện, cho nên trên thực tế phải điều chỉnh công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của máy phát

Có hai trường hợp điều chỉnh: trường hợp thứ nhất là máy phát điện làm việc trong

hệ thống điện lực có công suất vô cùng lớn với U, f const Lúc đó tổng công suất của máy phát điện đang làm việc song song trong hệ thống rất lớn so với công suất của máy phát điện đó, 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 hay 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 điện áp

U, tần số f chung của cả các máy phát điện đó

1.3.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P

Trường hợp này máy phát điện làm việc trong hệ thống điện có công suất vô cùng lớn U, f = const, như hình 1.8:

Ở chế độ 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 Đặc tính góc công suất tác dụng

là quan hệ P f   khi E0 = const; U = const, trong đó  là góc tải giữa các véc tơ sức điện động E0 và điện áp U Công suất của máy đồng bộ ở đầu cực máy phát:

Với m là số pha

Hình 1.8: Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện

Đối với máy phát cực lồi có rư rất nhỏ so với các điện kháng đồng bộ (xdb, xd, xq) nên coi rư = 0 ta có:

Thay biểu thức (1.19) vào biểu thức (1.16) ta được:

P = mUIcos = mU(Icos cos + Isin sin)

Thay biểu thức (1.17) và (1.18) vào biểu thức (1.20) ta được:

Như vậy muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát thì phải thay đổi góc

, đồng nghĩa với việc thay đổi giao điểm A bằng cách thay đổi công suất cơ trên trục máy

Công suất tác dụng cực đại Pm của máy phát điện có thể cung cấp cho hệ thống khi

4

8 cos

x0

sẽ bị ghìm và máy phát điện làm việc xác lập Nhưng ở điểm B thì công suất cơ thay đổi, 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 Vậy khi điều chỉnh công suất tác dụng mà muốn giữ cho máy phát điện ổn định thì phải có điều kiện dP

d 0 trong đó

dP

d gọi là công suất chỉnh bộ, đặc trưng cho khả năng giữ cho

máy phát làm việc đồng bộ trong lưới điện và được ký hiệu là Pcb Công suất chỉnh bộ cho máy phát cực lồi:

là lớn nhất Còn khi  mthì khả năng chỉnh bộ bằng không

Trong thực tế, đề phòng trường hợp U hoặc E0 giảm hay do nguyên nhân khác làm cho công suất P đưa ra lưới điện giảm theo nhưng vẫn duy trì được đồng bộ, máy phát điện thường làm việc với công suất định mức Pđm ứng với  < 300

Khả năng quá tải của máy phát điện đồng bộ được xác định bằng tỷ số m

m ñm

P k P

số năng lực quá tải Theo quy định thì cần đảm bảo km > 1.7 và muốn như vậy thì máy phát phải có tỷ số ngắn mạch k lớn nghĩa là x d phải nhỏ hoặc khe hở lớn Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song: Nếu có hai máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song, trong điều kiện tải của lưới điện không đổi, khi tăng công suất tác dụng của một máy mà không giảm tương ứng công suất tác dụng của máy kia thì tần số của lưới điện sẽ thay đổi cho đến khi có sự cân bằng mới và khiến cho hộ tiêu thụ điện phải làm việc trong điều kiện tần số khác tần số định mức Vì vậy để giữ cho

f=const

máy kia, chính cũng bằng cách đó mà có thể thay đổi sự phân phối công suất giữa hai máy

1.3.2 Điều chỉnh công suất phản kháng Q

Khi điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ làm việc trong lưới điện vô cùng lớn (U = const; f = const), khi công suất tác dụng của máy phát được giữ không đổi, bỏ qua tổn hao trên dây quấn phần ứng (rư = 0) Trong trường hợp này, đồ thị vectơ sức điện động có dạng như trên hình 1.9:

Vì P = mUIcos  OA là không đổi, với điều kiện U = const nên khi thay đổi Q thì đầu mút của vectơ I luôn nằm trên đường 1 và vuông góc với U Với mỗi trị số của I sẽ có một trị số của cos và vẽ đồ thị sức điện động tương ứng, từ đó xác định được độ lớn của vectơ E0 và từ đó suy ra dòng kích thích it cần thiết để sinh ra E0 nhưng cần lưu ý:

Hình 1.9: Đồ thị véc tơ suất điện động

Với mỗi trị số của P = const, thay đổi Q và vẽ đồ thị vectơ suất điện động như trên

sẽ xác định được quan hệ I f i  t , còn gọi là đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ

0

E

' 0

E

đb x I

j'

đb x I

Hình 1.10: Họ các đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ

Trên hình 1.10 đường Am đi qua các điểm cực tiểu của họ đặc tính tương ứng khi có



cos = 1 Khu vực bên phải đường Am ứng với tải có tính cảm (0) là chế độ làm việc quá kích thích của máy phát điện, còn bên trái ứng với tải có tính dung (0) và máy phát điện làm việc ở chế độ thiếu kích thích Đường Bn ứng với giới hạn làm việc ổn định với lưới khi máy phát điện làm việc ở chế độ thiếu kích thích

Máy phát điện công suất bằng nhau làm việc song song, nếu tăng dòng điện kích thích it của một máy mà vẫn giữ nguyên dòng kích thích của máy hai, thì do công suất phản kháng của máy 1 tăng, dẫn đến tổng công suất phản kháng tăng làm thay đổi điện áp

U của lưới điện, ảnh hưởng đến trạng thái làm việc bình thường của lưới điện với U = const, như vậy khi tăng dòng kích thích của một máy thì phải giảm tương ứng dòng kích thích của máy kia và sẽ thực hiện được sự phân phối lại công suất phản kháng Q giữa 2 máy

1.4 Mô hình toán máy phát điện đồng bộ

1.4.1 Phương trình máy phát điện đồng bộ trong hệ trục 3 pha

Để nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ thường sử dụng phương trình vi phân ở hệ trục tọa độ pha (hệ trục không chuyển động) của máy

Các phương trình viết dưới dạng ma trận như sau:

Phương trình cân bằng sức điện động mạch stato:

Quá kích thích 1.25

1 0.75 0.5 0.25

Phương trình cân bằng mô men:

m M M dt

R

R s

0 0

0 0

0 0

Phương trình vi phân thứ hai (1.31) là phương trình cân bằng điện áp mạch rôto có giá trị như sau:

Phương trình vi phân thứ 3 (1.32) là phương trình mô men

Trong các phương trình trên:

R , R kd, R kqlà điện trở cuộn kích từ, cuộn ổn định dọc, cuộn ổn định ngang

ua, ub, uc là điện áp các pha của lưới điện có dấu ngược với điện áp đầu cực máy phát

J là mômen quán tính rôto của tổ máy

M = dWe/dt là mô men điện từ, We năng lượng điện từ của máy

Mm là mô men cơ khí làm quay rôto

 là góc quay của máy phát

Từ thông móc vòng có thể biểu diễn theo độ tự cảm và cảm ứng tương hỗ như sau:

là ma trận độ tự cảm của các pha rôto

 M sr ;  M rs là ma trận độ cảm ứng tương hỗ giữa mạch stato với rôto và ngược lại

afd akd akq

độ 3 pha thành hệ trục tọa độ vuông góc để giải quyết bài toán trên

1.4.2 Phương trình máy điện đồng bộ viết ở hệ trục vuông góc

Có 3 hệ trục vuông góc:

− Hệ gắn vào stato máy điện (hệ trục không quay 0)

− Hệ gắn vào rôto máy điện, rôto quay vớir

− Hệ quay đồng bộ với từ trường quay hệ (dq0) được gọi là hệ Park

Trong phần này sẽ trình bày về hệ trục quay đồng bộ Park Trong đó biểu thức toán học biến đổi hệ trục 3 pha sang hệ trục vuông góc có dạng tổng quát như sau (ma trận Park):

1 2

1

120 sin

120 sin

sin

120 cos

120 cos

cos 3

0 0

120 cos

120 cos

cos

120 sin

120 sin

sin

0 0

0 0

Với  A r =

fd

kd kq

n n n

R i

dt d

00

00

L L

0 0

0 0 1

X X

X

q d

s

3 2

L L 0L cos2 2 với L a0, L a2 được biểu diễn như trên hình 1.11:

Hình 1.11: Biểu diễn hệ số tự cảm cuộn dây pha a staor

Hình 1.12: Biểu diễn hệ số hỗ cảm giữa các pha stator

0

ab

M 0ab

M 2

L0, X0 − hệ số tự cảm và điện kháng tự cảm của thành phần zero mạch stato

Ld, Xd − hệ số tự cảm và điện kháng tự cảm của thành phần dọc trục cuộn dây stato

Lq, Xq − hệ số tự cảm và điện kháng tự cảm của thành phần ngang trục cuộn dây stato

Thay các đại lượng của (1.52) bằng dòng điện và từ thông đã chuyển trục rồi biến đổi được:

W d

dI I

q

e d

1.4.3 Phương trình máy điện đồng bộ viết ở đại lượng tương đối

Việc nghiên cứu máy điện trong đơn vị tương đối là cách mà xem xét các thông số của máy điện, so sánh với giá trị của nó trong chế độ vận hành bình thường Qua đó, các đường đặc tính của máy điện trở nên tương đối giống nhau và nhờ vậy có thể đánh giá chế

độ làm việc của nhà máy điện

1.4.3.1 Các đại lượng so sánh cơ bản

Đối với mạch stato:

điện Ib = Im Giá trị biên độ dòng điện pha

Tổng trở Zb = Ub/Ib Giá trị tổng trở tính cho một pha

tb = 1/s Thời gian rôto quay được 1 rad với tốc độ đồng bộ

Đối với mạch rôto:

Các giá trị cơ bản của mạch rôto là các giá trị dòng điện, điện áp và từ thông khi máy phát điện đồng bộ ở chế độ không tải (điện áp ra đầu cực máy phát bằng điện áp cơ bản)

Dòng điện, điện áp, từ thông kích từ cơ bản:

fb fb

1.4.3.2 Phương trình máy điện đồng bộ trong hệ đơn vị tương đối

Phương trình máy điện đồng bộ viết trong đơn vị tương đối có dạng:

e  i là do E afd/U b X I afd fd / X I afd fb

Lý luận hoàn toàn tương tự mạch kích từ, dòng so sánh cơ bản của cuộn ổn định trục dọc, trục ngang là dòng khi chỉ mình nó tác dụng ở chế độ không tải và rôto quay với tốc

độ đồng bộ tạo ra ở cực máy điện một điện áp bằng giá trị điện áp so sánh cơ bản Theo

đó, dòng so sánh cơ bản của mạch ổn định trục dọc như sau:

T  X /R là hằng số thời gian của mạch ổn định trục dọc

Việc tính toán dòng so sánh cơ bản cho mạch ổn định trục ngang, cũng như phương trình cân bằng điện áp mạch ổn định trục ngang trong hệ đơn vị tương đối cũng được thực hiện hoàn toàn tương tự như trên Do đó, phương trình cân bằng điện áp cho mạch ổn định trục ngang là:

T  X /R là hằng số thời gian của mạch ổn định trục ngang

Để chuyển phương trình mômen sang hệ đơn vị tương đối, tiến hành chia hai vế của phương trình (1.60) cho P b/s với lưu ý b b b

J T

2



 là hằng số quán tính của hệ thống

q d d q b

i i M

M

m   ,

b

m m M

1.5 Máy điện đồng bộ trong hệ thống điện

Máy điện đồng bộ được sử dụng chủ yếu là máy phát điện trong hệ thống truyền động công suất vừa và nhỏ, mà không làm động cơ vì động cơ đồng bộ không cạnh tranh được với động cơ không đồng bộ Tuy nhiên trong phạm vi công suất lớn động cơ đồng

bộ lại được dùng nhiều, vì nó có hiệu suất cao và chi phí vận hành rẻ Một dạng khác là động cơ phản kháng và động cơ có nam châm vĩnh cửu được dùng nhiều trong hệ thống truyền động công suất nhỏ

Trong hệ thống điện, máy phát điện đồng bộ đóng một vai trò quan trọng, nơi mà tính ổn định luôn được đòi hỏi cao Do đó, vấn đề truyền tải điện áp từ đầu ra của máy phát tới hộ phụ tải tiêu thụ điện trên đường dây dài cần quan tâm đến điện áp (u), tổn hao công suất hay sự dao động của điện áp trên đường dây… Để xét sự dao động của điện áp

trên đường dây, sẽ dựa vào hệ phương trình cơ bản đường dây dài đều để xét đường dây làm việc với nguồn điều hòa

Do đường dây tuyến tính nên ở chế độ xác lập đáp ứng điện áp ở mọi tọa độ đường dây cũng là những hàm điều hòa cùng tần số với nguồn, xác định bởi giá trị hiệu dụng và góc pha tùy thuộc tọa độ x dạng:

 x t U x  t  x

u ,  2 sin u ↔ U   x,u x  (1.73) Biểu diễn phương trình (1.73) theo dạng ảnh phức:

I

d

I Z I L j R dx

  x x

e A e A



j e A

2 2



j e A

2 ) tức cũng giảm dần theo chiều truyền sóng

Như vậy điện áp truyền từ đầu ra máy phát tới hộ phụ tải đã bị dao động, với biên độ

bị giảm đồng thời góc pha cũng bị dịch đi, sự dao động này là không tốt cho quá trình truyền tải điện trên đường dây dài Vì nó làm cho chất lượng điện áp sụt giảm, tăng tổn thất truyền tải đồng thời có thể gây hại cho máy phát điện đồng bộ

Kết luận chương 1

Ở phần đầu chương này đã trình bày nguyên lý làm việc, phương trình điện áp, các đặc tính của máy phát điện đồng bộ

Phần tiếp theo nghiên cứu và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện

áp, sự điều khiển công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng khi vận hành trong

hệ thống điện

Kế tiếp là nghiên cứu mô hình toán đối với máy phát đồng bộ, trong phần này đã xây dựng được phương trình máy phát điện đồng bộ trong hệ trục 3 pha Sau đó chuyển sang hệ trục vuông góc dq0, để thuận tiện cho quá trình mô hình hóa

Phần cuối của chương này nghiên cứu máy điện đồng bộ trong hệ thống điện

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN

CÔNG SUẤT

2.1 Hệ thống kích từ máy phát điện

2.1.1 Khái niệm

Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến

sự làm việc an toàn của máy phát điện Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ, dòng kích từ phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất lượng điện năng cao nhất trong mọi tình huống

Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện

áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản kháng (CSPK) phát vào lưới điện Một vấn đề đáng quan tâm khi máy phát điện làm việc ở chế độ quá độ, ở chế độ này có thể xảy ra trong quá trình khởi động máy hoặc khi nối máy phát điện làm việc với lưới Quá trình quá độ xảy ra có thể làm chất lượng điện năng giảm, nếu không khống chế kịp thời có thể gây nên phá hủy máy Thông thường thời gian quá độ của máy phát điện đòi hỏi phải tắt rất nhanh, biên độ dao động của các quá trình quá độ trong máy phải nằm trong phạm vi cho phép Đặc biệt trong trường hợp sự cố như ngắn mạch, cần phải có bộ phận để cưỡng bức dòng kích từ cho phép điện áp lưới ổn định

2.1.2 Các thành phần của hệ thống kích từ

Thiết bị kích từ bao gồm máy biến áp kiểu khô, bộ chỉnh lưu thyristor, bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR (Automatic Voltage Regulator), bộ phận diệt từ, thiết bị bảo vệ quá áp và tất cả trang thiết bị cần thiết cho việc điều khiển, bảo vệ hệ thống kích từ và máy phát trong các điều kiện vận hành bình thường cũng như trong trường hợp không bình thường

Thiết bị kích từ ban đầu sẽ cung cấp dòng kích từ định mức thích hợp, đảm bảo chắc chắn và ổn định phát xung mở cơ cấu chỉnh lưu thyristor Thiết bị cho phép kích hoạt các thiết bị kích thích, từ các nguồn tạm thời bên ngoài với công suất dòng kích từ liên tục tới 1,2 lần công suất định mức và có thể điều chỉnh liên tục với các bước điều chỉnh 10% ÷ 100% điện áp đầu cực máy phát, để kiểm soát sự bão hòa máy phát và thử nghiệm đặc tính trở kháng trong thời gian vận hành

Tất cả các tính năng điều khiển, bảo vệ và hoạt động của thiết bị tương thích với chế

độ điều khiển từ xa từ phòng điều khiển nhà máy Điều khiển từ xa được giới hạn trong một vài chức năng điều khiển, chẳng hạn chỉ với chức năng “khởi động − dừng hay tăng − giảm” thông qua bộ điều chỉnh tự động điện áp và điều khiển bằng tay thông qua biến trở tăng − giảm

2.1.3 Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát

Trong quá trình truyền tải điện năng từ máy phát điện đến các hộ phụ tải trên đường dây dài thì vấn đề ổn định điện áp là rất quan trọng, để ổn định được điện áp chúng ta phải điều chỉnh dòng kích từ của máy điện

Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp AVR Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi, nhằm nâng cao giới hạn truyền tải công suất của máy phát vào hệ thống điện (HTĐ) Đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống lưới qua đường dây dài, những yêu cầu chung với hệ thống tự động điều chỉnh kích từ là:

− Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính ổn định động

− Hệ thống cần có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy làm việc ở chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới)… thì chỉ có bộ phận kích thích cưỡng bức làm việc là chủ yếu Bộ phận này cho phép duy trì điện áp của lưới, thông qua đó tạo điều kiện giải quyết

Ngoài công suất định mức và điện áp định mức, hệ thống kích từ còn được đặc trưng bởi hai thông số quan trọng khác là điện áp kích từ giới hạn (Ufgh) và hằng số thời gian (Te)

Điện áp kích từ giới hạn là điện áp kích từ lớn nhất có thể tạo ra được của hệ thống kích từ, giá trị điện áp này càng lớn thì phạm vi điều chỉnh dòng kích từ càng rộng và càng có khả năng điều chỉnh nhanh Đối với máy phát điện tuabin hơi thường có

Ufgh ≥ 2Ufđm Trong nhiều trường hợp, để đáp ứng các yêu cầu đảm bảo ổn định hệ thống người ta chế tạo Ufgh = (3÷4) Ufđm Tuy nhiên, Ufgh giới hạn càng cao đòi hỏi hệ thống kích từ phải có khả năng cách điện càng cao

Hằng số thời gian Te đặc trưng cho tốc độ thay đổi dòng kích từ, Te được xác định bởi quán tính điện từ của các cuộn dây điện cảm T có trị số càng nhỏ thì tốc độ điều