Bài giảng Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 4, Phần 1: Điều khiển tần số trong hệ thống điện - Võ Ngọc Điều

heo điều kiện
kinh tế.
20
a. Điều chỉnh cấp 1:
Xét 1 hệ thống điện đơn giản bao gồm một máy
phát và một phụ tải.
Để xét, ta đặt đặc tính của máy phát và đặc tính
tĩnh của phụ tải lên cùng một đồ thị hình 6.3.
~
F Phụ tải
11
21
Điều chỉnh cấp 1 là quá trình biến đổi tức thời công
suất phát khi công suất phụ tải thay đổi nhờ các bộ
điều chỉnh tốc độ của các tua bin trong hệ thống.
Hình 6.3
22
Giao điểm O giữa đặc tính ban đầu của máy phát 1 
và đặc tính của phụ tải I ứng với công suất yêu cầu 
ban đầu Ppt (đó là điểm cân bằng công suất xác định 
chế độ xác lập của hệ thống điện ở tần số định mức).
Hình 6.3Điểm cân bằng 
công suất
12
23
Giả thiết rằng công suất yêu cầu của phụ tải
tăng thêm ∆P, ta có đặc tính mới của phụ tải là II
ứng với (Ppt + ∆P).
Hình 6.3
Phụ tải 
tăng 
Điểm cân 
bằng mới 
24
Phụ tải tăng lên làm cho tần số giảm đi và bộ điều
tốc bắt đầu hoạt động tăng công suất phát lên theo
đặc tính điều chỉnh.
Hình 6.3
Phụ tải 
tăng 
Điểm cân 
bằng mới 
13
25
Ở điểm 1 ta có điểm cân bằng công suất mới ứng với
tần số fl < fđm. Sở dĩ tần số bị giảm vì thiết bị điều tốc
chỉ có thể tăng thêm lượng công suất ∆PF nhỏ hơn
công suất yêu cầu thêm ∆P.
Hình 6.3
Phụ tải 
tăng 
Điểm cân 
bằng mới 
26
Để thích nghi, công suất thực dùng phải giảm đi
∆Ppt.
Hình 6.3
Phụ tải 
tăng 
Điểm cân 
bằng mới 
14
27
Như vậy, quá trình điều chỉnh cấp 1 không cho phép
phục hồi tần số ban đầu, nó chỉ làm cho tần số
không giảm thấp hoặc không tăng quá giới hạn cho
phép.
28
* Nếu không có điều chỉnh cấp 1 thì tần số sẽ giảm
đến f2 ứng với điểm 3. Trong trường hợp này công
suất thực dùng giảm đi một lượng đúng bằng công
suất yêu cầu thêm ∆P.
Hình 6.3
Có điều chỉnh 
cấp 1 
Không có điều 
chỉnh cấp 1 
Một trường hợp khác:
15
29
* Nếu có điều chỉnh cấp 1, công suất phát tăng
thêm ∆PF. Do đó, công suất thực dùng chỉ phải
giảm đi: ∆Ppt = - (∆P - ∆PF) (6.5)
Hình 6.3
Có điều 
chỉnh cấp 1 
Không có điều 
chỉnh cấp 1 
30
* Tính toán điều chỉnh 
tần số cấp 1: 
* Xác định độ giảm, tăng tần số có thể xảy ra, khi 
phụ tải thay đổi. 
* Tìm biện pháp để tần số không ra khỏi phạm vi 
cho phép.
16
31
Để tính điều chỉnh tần số của hệ thống điện cần biết 
đặc tính điều chỉnh chung của toàn hệ thống điện.
Giả thiết rằng hệ thống điện có n máy phát điện, mỗi 
máy phát có đặc tính điều chỉnh KFi và công suất định 
mức Pđm (hoặc là công suất khả phát).
32
Khi tần số giảm ∆f, tính được độ tăng thêm công 
suất của tổ máy i:
Tổng công suất phát tăng thêm của hệ thống là:
(6.6)
(6.7)
17
33
Đặt
Thêm vào vế phải của biểu thức trên Pht/Pht, ta có:
(6.8)
(6.9)-
34
Đặt:
KFht là độ dốc của đặc tính điều chỉnh chung của
nguồn điện trong hệ thống.
(6.10)
18
35
Chú ý: Tổ máy nào không có khả năng điều
chỉnh tốc độ thì KF của nó bằng 0.
Cuối cùng, ta có đặc tính điều chỉnh tốc độ
chung của nguồn điện là:
(6.11)
36
Mặt khác, ta có:
(6.12)
Thay ∆PF và ∆Ppt vào (6.12), ta có:
(6.13)
19
37
Nhân vế phải của (6.13) cho Ppt/Ppt và đặt Kdt = Pht/Ppt
(6.14)
38
Đặt:
(6.15)
Kht là độ dốc của đặc tính điều chỉnh
Độ lệch tần số của hệ thống được xác định
như sau:
(6.16)
20
39
5. BÀI TẬP
Bài 1: Hệ thống điện gồm 6 tổ máy, trong đó:
 3 tổ máy có PFđm = 100 MW và KF = 15
 Các tổ máy còn lại có PFđm = 200 MW, KF = 15
 Phụ tải có công suất Ppt = 700 MW và Kpt = 1,5
Tính điều chỉnh sơ cấp khi phụ tải tăng thêm 70
MW, sao cho tần số không vượt quá ± 0,2Hz so
với tần số định mức.
40
Bài 2: Hệ thống điện có phụ tải 1260 MW, Kpt = 1,5;
phụ tải giảm đột nhiên 60 MW.
Tính độ lệch tần số khi không có điều chỉnh tốc độ
và khi hệ thống có dự trữ quay 240 MW, có điều
tốc với KFht = 20 (nếu tất cả các tổ máy đều có thể
điều tốc). Cho rằng chỉ có 80% công suất phát
tham gia điều tốc.
21
41
Bài 3:
Hệ thống điện gồm 4 tổ máy, trong đó:
 2 tổ máy có PFđm = 100 MW và KF = 15
(Hệ số KF này có thể thay đổi từ 15 - 20)
 Các tổ máy còn lại có PFđm = 200 MW,KF =15 (Hệ số KF
này có thể thay đổi từ 15 - 20)
 Phụ tải có công suất Ppt = 500 MW vàKpt=1,5.
Tính điều chỉnh sơ cấp khi phụ tải tăng thêm 70
MW, sao cho tần số không vượt quá ± 0,2Hz so với tần số
định mức.
Nếu không thể thực hiện điều chỉnh tần số bằng cách điều
chỉnh hệ số KF của các tổ máy thì cần phải cắt giảm phụ tải
và lượng cắt đó là bao nhiêu?
42
Bài 4:
Hệ thống điện gồm 5 tổ máy, trong đó:
 3 tổ máy có PFđm = 150 MW và KF = 16
 Các tổ máy còn lại có PFđm = 200 MW và KF =17,2
 Phụ tải có công suất Ppt = 650 MW vàKpt=1,7
Khi phụ tải tăng, giá trị của tần số giảm đi 0,2% so với giá trị
định mức (f = 50Hz).
Hãy cho biết:
- Lượng tăng của phụ tải là bao nhiêu ?
- Các máy phát tham gia điều tần sẽ phát thêm công suất
bao nhiêu ?
22
43
Bài 5:
Hệ thống điện có:
- Tổng phụ tải là Ppt = 1450 MW và Kpt = 1,5.
- Phụ tải tăng đột ngột, 75 MW.
Hãy tính độ lệch tần số khi:
a. Không có điều tốc.
b. Có điều chỉnh tần số với KF = 18.
c. Có điều chỉnh tần số nhưng chỉ với 70% công suất tham
gia điều tốc.
Biết công suất dự trữ nóng của hệ thống là 350 MW.
44
Bài 6:
Hệ thống điện có 6 tổ máy phát với các thông số như sau:
Máy phát PF (MW) Số lượng KF
I 200 2 16
II 150 2 19
III 100 2 18
- Tổng phụ tải: 650 MW và Kpt = 1,5
Hỏi cần phải có thêm lượng dự phòng bao nhiêu để khi
phụ tải tăng thêm 80 MW thì tần số không lệch quá – 0,2
(Hz) so với giá trị định mức.
23
45
Bài 7:
Một nhà máy điện gồm 3 nhóm máy phát với 8 tổ máy có các
thông số như sau:
Máy phát PF (MW) Số lượng KF
I 200 3 19
II 150 3 17,5
III 100 2 17
46
- Tổng phụ tải: 850 MW và Kpt = 1,5
- Phụ tải đột ngột tăng thêm 90 MW.
Hãy xác định độ lệch tần số của hệ thống khi:
a. Không có điều tốc.
b. Có điều chỉnh tần số với sự tham gia của tất cả các máy
phát.
c. Chỉ có nhóm I và nhóm II tham gia điều tần.
24
47
Hình 6.4
b. Điều chỉnh cấp 2:
Xét 1 hệ thống đơn giản gồm một máy phát và một
phụ tải. Để xét ta đặt đặc tính của máy phát và đặc
tính tĩnh của phụ tải lên cùng một đồ thị hình 6.4.
48
Điều chỉnh cấp 2 là quá trình tăng công suất của
máy phát điện điều tần lên để đưa tần số trở về
định mức (hoặc là khi phụ tải giảm thì giảm
công suất phát), thực hiện bằng tay hoặc tự
động.
25
49
Tăng công suất phát được thực hiện bằng cách
tăng thêm hơi vào tuabin hoặc mở rộng thêm cửa
nước của thủy điện.
Đó chính là quá trình dịch chuyển đặc tính công
suất phát đến đường 2 (hình 6.4), ở đây tần số fđm
được khôi phục, công suất phụ tải yêu cầu thêm
∆P được đáp ứng hoàn toàn.
50
Trong các hệ thống điện nhỏ thường chỉ có một
hoặc một vài tổ máy làm nhiệm vụ điều tần, còn
các máy phát khác có đặt tự động điều chỉnh tốc
độ thì chỉ tham gia điều chỉnh tốc độ.
Khi phụ tải tăng, các nhà máy này tạm thời tăng
thêm công suất nhờ điều chỉnh tốc độ.
26
51
Sau khi quá trình điều tần bắt đầu, tần số tăng
lên thì các tổ máy này lại tự động giảm công
suất phát.
Khi quá trình điều tần kết thúc thì các tổ máy
này lại phát công suất như trước khi có sự tăng
yêu cầu của phụ tải.
52
Toàn bộ công suất yêu cầu thêm sẽ do nhà máy có
điều tần đảm nhiệm.
Khi yêu cầu của phụ tải giảm, quá trình xảy ra cũng
tương tự, các tổ máy có điều chỉnh tốc độ tạm thời
giảm công suất phát để giữ tần số.
Sau quá trình điều chỉnh tần số chúng sẽ phát lại
như cũ, chỉ tổ máy điều tần giảm công suất để đáp
ứng phụ tải.
27
53
Nếu tất cả các tổ máy đều có bộ tự dộng điều
chỉnh tần số thì trong các điều kiện nhất định có
thể kết hợp điều tần và phân bố tối ưu công suất.
Nếu không thì điều chỉnh cấp 3 sẽ phải thực hiện
bằng tay sau khi điều chỉnh cấp 2 hoàn thành.
54
* Tính toán điều chỉnh tần số cấp 2: 
Để có thể điều chỉnh tần số, tổ máy điều
tần phải luôn có phạm vi điều chỉnh công suất
∆P đủ lớn về cả hai phía, nghĩa là công suất
phát PF phải thỏa mãn điều kiện:
28
55
Trong đó PFmax và PFmin là giới hạn công suất của tổ
máy, hình 6.5.
Hình 6.5
Tốc độ điều chỉnh công suất của tổ máy phải đáp
ứng được tốc độ biến thiên của phụ tải tổng của hệ
thống điện.
56
Phạm vi điều chỉnh được xác định theo điều kiện
sau:
Khi phụ tải tổng của hệ thống điện biến đổi nhanh
nhất, phạm vi điều chỉnh phải đảm bảo duy trì tần số
trong giới hạn cho phép, cho đến khi điều độ viên
kịp thi hành các biện pháp tăng công suất của các
nhà máy, khôi phục lại phạm vi điều chỉnh. Thời
gian này ước chừng 10 phút.
29
57
Phạm vi điều chỉnh gồm hai phần:
* Một phần sử dụng trong điều chỉnh sơ cấp
đó là công suất biến đổi do điều chỉnh tốc độ
∆P’đc (vì tổ máy điều tần cũng tham gia vào
quá trình điều tốc ban đầu).
58
* Phần thứ hai là phạm vi cần thiết cho điều
chỉnh cấp 2 ∆P”đc
Với 
Trong đó: 
PFđm và KF là công suất định mức và độ dốc của
tổ máy điều tần (hoặc nhà máy điều tần)
∆fcp là trị tuyệt đối của độ lệch tần số cho phép
30
59
•Nếu thay:
Độ dốc của tổ máy điều tần thường cao
hơn tổ máy còn lại để trong điều chỉnh sơ cấp tổ
máy điều tần nhận nhiều phụ tải hơn các tổ máy
khác.
•Ta có:
60
Thành phần ∆P”đc được xác định gần đúng theo
biểu thức:
Trong đó:
n là tốc độ biến thiên tương đối lớn nhất của phụ
tải trong thời gian 10 phút; n thường lấy là 0,05;
nghĩa là phụ tải tăng 5% trong 10 phút.
31
61
* Thành phần thứ nhất của vế phải là công suất yêu
cầu thêm trong 10 phút.
* Thành phần thứ hai của vế phải là phần công suất
tăng thêm của hệ thống ở tần số cho phép do điều
tốc.
62
Tổ máy điều tần phải đảm bảo phần còn thiếu để
giữ tần số trong phạm vi cho phép.
Sau đó ta có:
32
63
Bài tập (tiếp theo)
Bài 8: Xác định phạm vi điều chỉnh cần thiết
của tổ máy điều tần với các điều kiện:
∆fcp = - 0,1Hz, KF = KFht = 10; Kpt = 1; Kdt =
1,05; n = 0,05; m = 0,1.
64
Hướng dẫn giải bài tập
Phần sử dụng trong điều chỉnh cấp 2:
Phần sử dụng trong điều chỉnh sơ cấp:
Áp dụng các công thức sau:
Cuối cùng, để có thể điều chỉnh tần số tổ máy điều tần
phải có phạm vi điều chỉnh công suất là:
33
65
Bài 9:
Hệ thống điện gồm 6 tổ máy, trong đó:
 3 tổ máy có PFđm = 100 MW và KF = 15
 Các tổ máy còn lại có PFđm = 200 MW, KF = 15
 Phụ tải có công suất Ppt = 700 MW và Kpt = 1,5.
Thực hiện điều chỉnh 2 cấp khi phụ tải tăng thêm
70 MW, sao cho tần số không vượt quá 0,2Hz so với tần số
định mức.
Biết rằng m=0,1; n =0,05.
66
3. Điều chỉnh cấp 3:
Mục đích của điều chỉnh cấp 3 là phân bố lại công
suất theo điều kiện tối ưu. Khi xảy ra dao động
công suất phụ tải, hệ thống điện phải làm hai
nhiệm vụ: thay đổi công suất phát của các nhà
máy điện để duy trì tần số ở mức bình thường,
đồng thời giữ được phân bố công suất giữa các tổ
máy theo điều kiện tối ưu, cho chi phí sản xuất nhỏ
nhất.
34
67
Thoạt trông, dường như hai nhiệm vụ trên có thể
thực hiện đồng thời trong quá trình điều chỉnh cấp
2, tức là thực hiện điều chỉnh tần số ở chính những
tổ máy phát điện mà phụ tải của chúng cần biến
đổi theo điều kiện kinh tế. Tuy nhiên thực tế
không cho phép làm như vậy.
68
Trong thực tế có hai quá trình biến đổi phụ tải xếp
chồng lên nhau, đó là:
* Quá trình biến đổi đều và chậm của tổng phụ tải
* Quá trình dao động không đều và ngẫu nhiên của
phụ tải.
35
69
Kinh nghiệm vận hành cho thấy có hai loại dao
động phụ tải:
•* Dao động nhanh có biên độ 0,1 đến 0,5% trong
thời gian 5 đến 10s
•* Dao động chậm hơn có biên độ 0,5 đến 1,5%
trong một số phút.
70
Thiết bị điều chỉnh cấp 2 không kịp tác động với
các dao động nhanh 5 đến 10s của phụ tải (điều
chỉnh cấp 2 tác động chậm khoảng 30 đến 40s để
đảm bảo sự ổn định của điều chỉnh cấp 1 và cấp 2).
Điều chỉnh cấp 2 sẽ tác động với các dao động
chậm 5 đến 10 phút.
36
71
Trong các hệ thống điện lớn công suất của một tổ
máy chỉ bằng 2 đến 5% công suất phụ tải hệ thống,
do đó dao động 1% cũng tương ứng với 50 đến 20%
công suất tổ máy. Biến đổi nhanh 20 đến 50% công
suất về cả hai phía là không hợp lý về kinh tế, hơn
nữa một tổ máy công suất không lớn làm không thể
bảo đảm chất lượng điều chỉnh tốt.
72
Vì lý do đó, trong đại bộ phận các trường hợp, hợp
lý hơn cả là tách phân bố tối ưu công suất giữa các
tổ máy ra khỏi quá trình điều chỉnh cấp 2 và gọi là
quá trình điều chỉnh cấp 3.
Quá trình phân bố tối ưu công suất có thể thực hiện
chậm hơn, ví dụ: người ta kiểm tra lại phân bố công
suất sau 15 đến 20 phút hoặc sau khi tổng công suất
biến đổi được 2 đến 4%.
37
73
Sẽ có rất nhiều nhà máy điện tham gia điều chỉnh
cấp 2 do đó điều chỉnh có chất lượng rất cao, đồng
thời độ lệch của công suất các tổ máy khỏi giá trị
tối ưu cũng không lớn quá.
Trong điều chỉnh tần số, nếu cho công suất chỉnh
định PCi là công suất tối ưu thì công suất của tổ
máy điều tần sẽ dao động gần quanh giá trị tối ưu
này.
74
Nếu kiểm tra lại phân bố công suất sau 15 đến 20
phút 1 lần thì lúc đó thay đổi công suất chỉnh định
PCi của điều chỉnh cấp 2 thực hiện bằng tay.
Còn nếu kiểm tra theo độ biến đổi công suất thì từ
công suất tính ra độ lệch tần số hoặc thời gian điện
tương ứng rồi tiến hành kiếm tra theo độ lệch tần
số hoặc thời gian điện.