Nghiên cứu sa thải phụ tải theo tần số

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THỊ LAN

NGHIÊN CỨU SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ
Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : .............................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...................................................................................
............................................................................................................................

............................................................................................................................
............................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày. . . tháng. . . năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Lan
Ngày, tháng, năm sinh: 07/04/1983
Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
MSHV: 01808306

Phái: Nữ
Nơi sinh: Kiên Giang

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SA THẢI PHỤ TẢI THEO TẦN SỐ
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: NGHIÊN CỨU SA THẢI PHỤ TẢI THEO PHƢƠNG
PHÁP MƠ HÌNH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ THEO PHƢƠNG PHÁP TẦN SỐ.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. TRẦN HOÀNG LĨNH
Nội dung và đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đã đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)


Lời Cảm Ơn
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Trần Hồng Lĩnh đã tận tình giúp đỡ và hƣớng
dẫn em trong quá trình học tập cũng nhƣ trong suốt quá trình thực hiện luận văn, những
ý kiến q báu của thầy giúp em học tập và khắc phục đƣợc nhiều thiếu sót để hồn
thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn q Thầy (Cơ) Khoa Điện – Điện Tử Trƣờng Đại học
Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức cho em trong suốt khóa
học tại trƣờng.
Cảm ơn bạn bè đã cùng chia sẻ, trao đổi kiến thức trong học tập cũng nhƣ trong
quá trình thực hiện luận văn.
Cảm ơn gia đình và những ngƣời thân yêu đã luôn tạo điều kiện, động viên, giúp
đỡ là chỗ tựa vững chắc giúp em an tâm học tập vƣợt qua những khó khăn trong thời
gian qua.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010
Học viên thực hiện
NGUYỄN THỊ LAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong hệ thống điện nếu xảy ra sự cố làm thiếu hụt công suất phát, tần số hệ
thống có thể sẽ giảm xuống dƣới giá trị nhỏ nhất cho phép và nguy cơ sụp đổ hệ thống
cao nếu khơng có biện pháp khắc phục kịp thời. Tuy nhiên, sự suy giảm tần số này có
thể đƣợc loại trừ bằng cách sa thải một số phụ tải đủ để đƣa hệ thống trở về trạng thái
cân bằng. Luận văn trình bày hai phƣơng pháp sa thải phụ tải: sa thải phụ tải theo mơ
hình đáp ứng tần số và sa thải phụ tải theo tần số.
Sa thải phụ tải theo mơ hình đáp ứng tần số: Sử dụng các cơng thức tốn học
đƣợc thành lập từ mơ hình đáp ứng tần số hệ thống, xác định tốc độ suy giảm tần số
ban đầu từ đó tính đƣợc lƣợng công suất quá tải cần cắt ra khỏi hệ thống. Ngoài ra,
cùng với khoảng thời gian phối hợp giữa các lần cắt tải cho trƣớc tính đƣợc tần số sau
mỗi đợt cắt tải sao cho tần số sau đợt cắt tải cuối không thấp hơn tần số nhỏ nhất cho
phép.
Sa thải phụ tải theo phƣơng pháp tần số: Dự đoán quá tải cực đại có thể xảy ra
trong hệ thống, chọn số đợt cắt tải hợp lý, tính cơng suất tải phải cắt và tần số cài đặt
rơle trong mỗi đợt cắt tải.
Cả hai phƣơng pháp sa thải phụ tải điều sử dụng phần mềm Matlab để hỗ trợ
việc tính toán tự động.


MỤC LỤC
Trang
Lời nói đầu ................................................................................................................ i
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................... 1
1.3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 1
1.4. Phƣơng pháp luận nghiên cứu ........................................................ 2

Chƣơng 2 NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ
TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1. Các yêu cầu đối với sản xuất điện năng ......................................... 3
2.2. Nguyên nhân dao động tần số ........................................................ 5
2.3. Hậu quả dao động tần số ................................................................ 5
2.3.1. Ảnh hƣởng đối với hộ tiêu thụ ............................................... 6
2.3.2. Đối với hệ thống điện ............................................................ 6
2.3.3. Ảnh hƣởng tính ổn định của máy phát ................................... 6
2.3.4. Ảnh hƣởng tính ổn định của tuabin máy phát ........................ 7
2.3.5. Không đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện liên tục .................. 8
2.4. Bảo vệ tần số thấp khối tuabin hơi – máy phát .............................. 8


Chƣơng 3 ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ KHI MẤT CÂN BẰNG CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
3.1. Sự tự điều chỉnh của hệ thống điện .............................................. 10
3.2. Điều khiển tần số sơ cấp............................................................... 11
3.2.1. Định nghĩa điều chỉnh tần số sơ cấp .................................... 11
3.2.2. Nguyên tắc điều khiển tần số ................................................ 11
3.2.3. Biểu thức tính tốn ................................................................ 13
3.2.4. Khảo sát điều chỉnh tốc độ tuabin sơ cấp ............................. 15
3.2.5. Đáp ứng của máy phát khi tải thay đổi ................................. 16
3.2.6. Đáp ứng của tải theo độ lệch tần số ...................................... 17
3.3. Đặc tính của bộ điều tốc ............................................................... 18
3.3.1. Bộ điều tốc đẳng thời gian ................................................... 18
3.3.2. Bộ điều tốc với đặc tính điều chỉnh có độ dốc ..................... 20
3.3.3. Điều chỉnh công suất phát ra của tổ máy .............................. 22
3.3.4. Đặc tính điều chỉnh tổng hợp của hệ thống điện .................. 24
3.4. Điều khiển tần số thứ cấp ............................................................. 26
3.4.1. AGC trong hệ thống điện độc lập ........................................ 26

3.4.2. AGC trong hệ thống điện liên kết ........................................ 27
3.5. Điều khiển tần số và công suất trong hệ thống điện Việt nam ..... 32


Chƣơng 4 THIẾT KẾ BẢO VỆ CẮT TẢI THEO MÔ HÌNH ĐÁP ỨNG
TẦN SỐ
4.1. Mơ hình đáp ứng tần số tổng qt ................................................ 33
4.2. Mơ hình đáp ứng tần số giản lƣợc SFR ........................................ 36
4.3. Mơ hình tổ máy phát tƣơng đƣơng ............................................... 40
4.4. Độ dốc của đáp ứng tần số ........................................................... 41
4.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến độ lệch tần số....................... 42
4.5.1. Ảnh hƣởng của độ dốc điều tốc R ....................................... 42
4.5.2. Ảnh hƣởng của hằng số quán tính ........................................ 43
4.5.3. Ảnh hƣởng của hằng số thời gian hồi nhiệt TR ..................... 45
4.5.4. Ảnh hƣởng của phân số ứng suất cao FH .............................. 45
4.5.5. Ảnh hƣởng của hệ số điều chỉnh phụ tải D ........................... 46
4.6. Thiết kế sơ đồ cắt tải .................................................................... 47
4.7. Kết quả tính tốn .......................................................................... 51
Chƣơng 5 THIẾT KẾ BẢO VỆ CẮT TẢI THEO TẦN SỐ
5.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................. 73
5.1.1. Tốc độ suy giảm tần số hệ thống ......................................... 73
5.1.2. Mômen tải ............................................................................. 76
5.1.3. Mômen máy phát .................................................................. 77
5.1.4. Độ lệch tần số f ................................................................... 78
5.2. Sa thải phụ tải theo tần số............................................................. 78
5.2.1. Thuật toán ............................................................................ 79


5.2.2. Kết quả tính tốn .................................................................. 82
Chƣơng 6 KẾT LUẬN ..................................................................................... 90

PHỤ LỤC .............................................................................................................. 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 100
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................... 106


LỜI NÓI ĐẦU
Điện năng được xem là một trong những phương tiện cốt lõi trong việc phát
triển kinh tế của một quốc gia. Mục tiêu chính của việc phát, truyền tải và phân phối
điện năng là để thoã mãn nhu cầu dùng điện của khách hàng với sản phẩm chất lượng
cao và độ tin cậy cung cấp điện liên tục. Do đó, cân bằng giữa cơng suất phát và tiêu
thụ phải được đảm bảo trong điều kiện vận hành bình thường của hệ thống.
Dưới điều kiện cân bằng này, hệ thống sẽ vận hành ở tần số đồng bộ 50 Hz hoặc
60 Hz. Nếu trạng thái cân bằng này bị phá vỡ do sự thiếu hụt công suất phát, tần số hệ
thống sẽ giảm xuống. Sự suy giảm tần số xảy ra rất nhanh và nếu không can thiệp kịp
thời sẽ dẫn đến sụp đổ hệ thống.
Hầu hết các máy phát điện được thiết kế để hoạt động ở tần số 50Hz/60Hz, bất
cứ sự vi phạm tần số nào cũng có thể gây hư hỏng cho máy. Nếu một lượng đáng kể
công suất phát bị mất, cách hiệu quả duy nhất để hiệu chỉnh sự mất cân bằng này là sa
thải nhanh chóng phụ tải trước khi sụp đổ hệ thống.
Sa thải phụ tải tần số thấp (UFLS) là một tập hợp các điều khiển được phối hợp,
nhằm làm giảm phụ tải trong hệ thống, buộc hệ thống bị nhiễu loạn trở về trạng thái
cân bằng mới. Sa thải phụ tải phải được thực hiện lần lượt từng bước để tránh trường
hợp cắt quá nhiều hoặc quá ít số lượng tải cần cắt và nhiễu loạn hệ thống. Các thông số
đặc trưng là công suất quá tải cần tiến hành cắt, tần số cắt tải trong mỗi đợt, thời gian
trễ và phối hợp giữa các đợt cắt tải. Mục tiêu của một sơ đồ sa thải phụ tải tối ưu là cắt
số lượng phụ tải nhỏ nhất, nhanh chóng đưa hệ thống trở về trạng thái cân bằng.
Hành động sa thải phụ tải được thực hiện bởi rơle dưới tần số, phát tín hiệu ngắt
đến máy cắt khi tần số của hệ thống giảm xuống dưới tần số cài đặt của rơle.

i

Cấu trúc luận văn gồm 6 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Nguyên nhân và hậu quả của dao động tần số trong vận hành hệ
thống điện
Chương 3: Điều khiển tần số khi mất cân bằng trong hệ thống điện
Chương 4: Thiết kế bảo vệ cắt tải theo mơ hình đáp ứng tần số hệ thống
Chương 5: Thiết kế bảo vệ cắt tải theo tần số
Chương 6: Kết luận

ii


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG

CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Khi xảy ra sự cố làm thiếu hụt công suất phát trong hệ thống điện, nếu tần số

giảm xuống dưới mức cho phép hệ thống vận hành bình thường, khi đó, nhân viên vận
hành hệ thống sẽ tiến hành sa thải một số phụ tải để đưa hệ thống trở về trạng thái cân
bằng. Có thể nói, vấn đề sa thải phụ tải rất quen thuộc đối với nhân viên vận hành hệ
thống. Tuy nhiên, đối với những đối tượng khác thì đề tài này lại là một thách thức.
Thật vậy, về cách thức tiến hành sa thải, mơ hình thực hiện cũng như cơng thức về mặt

tốn học là một ẩn số. Như vậy, đề tài mang lại giá trị thực tiễn cao, trang bị những
khái niệm cơ bản, các phương pháp có thể được sử dụng và cách thức tiến hành sa thải
phụ tải.
1.2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
-

Giảm thiểu lượng công suất quá tải cần cắt ra khỏi hệ thống;

-

Tính tốn lượng cơng suất cần cắt ra khỏi hệ thống trong các đợt cắt tải một
cách hợp lý sao cho sự suy giảm tần số trong hệ thống bé nhất;

-

Đảm bảo phối hợp hoạt động của rơle qua các đợt cắt tải;

-

Đảm bảo tống thời gian cắt tải đủ ngắn để tránh trường hợp bảo vệ rơle của
tuabin máy phát hoạt động trước;

1.3.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Thành lập mơ hình tốn học cho cả hai phương pháp sa thải phụ tải. Đề ra giải
thuật cho bài toán và được kiểm nghiệm bằng cách thực hiện sa thải phụ tải cho
một hệ thống điện đơn giản bị thiếu hụt công suất phát, xem dự trữ quay trong

hệ thống không đáng kể.

1


CHƯƠNG 1

1.4.

GIỚI THIỆU CHUNG

PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU
Sa thải phụ tải theo mơ hình đáp ứng tần số: Sử dụng các cơng thức tốn học

được thành lập từ mơ hình đáp ứng tần số hệ thống, xác định tốc độ suy giảm tần số
ban đầu từ đó tính được lượng công suất quá tải cần cắt ra khỏi hệ thống. Ngoài ra,
cùng với khoảng thời gian phối hợp giữa các lần cắt tải cho trước tính được tần số sau
mỗi đợt cắt tải sao cho tần số sau đợt cắt tải cuối không thấp hơn tần số nhỏ nhất cho
phép.
Sa thải phụ tải theo phương pháp tần số: Dự đoán quá tải cực đại có thể xảy ra
trong hệ thống, chọn số đợt cắt tải hợp lý, tính cơng suất tải phải cắt và tần số cài đặt
rơle trong mỗi đợt cắt tải.
Cả hai phương pháp sa thải phụ tải điều sử dụng phần mềm Matlab để hỗ trợ
việc tính toán tự động.

2


CHƯƠNG 2

NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ

CHƯƠNG 2:
NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ
TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1.

CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
Hệ thống điện lực bao gồm các nhà máy điện, đường dây truyền tải điện, trạm

biến áp và các hộ tiêu thụ điện liên kết với nhau thành một hệ thống chung để sản xuất,
truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ một cách liên tục và kinh tế nhất.
Khác hẳn với những ngành cơng nghiệp khác, sản xuất điện năng có những đặc điểm
chủ yếu sau:


Đặc điểm quan trọng nhất là việc sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng
điện năng bao giờ cũng tiến hành cùng một lúc. Nghĩa là, ở mọi thời điểm
phải có sự cân bằng cơng suất chính xác giữa điện năng sản xuất và điện
năng tiêu thụ cộng với tổn thất trên lưới truyền tải và phân phối. Nếu sự cân
bằng này khơng đảm bảo thì các chỉ tiêu chất lượng điện năng chủ yếu là tần
số và điện áp trong hệ thống sẽ lệch ra khỏi phạm vi cho phép.



Quá trình quá độ trong hệ thống điện diễn ra rất nhanh cho nên phải sử dụng
các kỹ thuật tự động để điều khiển các quá trình này chứ khơng thể thao tác
bằng tay.



Điện năng có quan hệ chặt chẽ với tất cả các ngành kinh tế quốc dân và mọi
hoạt động của con người. Cho nên đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện phải rất
cao vì mọi sự cố trong hệ thống dẫn đến thiếu hụt công suất sẽ ảnh hưởng
đến nền kinh tế quốc dân.

3


CHƯƠNG 2

NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ

Do những đặc điểm trên nên đối với sản xuất điện năng có những yêu cầu cơ
bản sau:


Phải đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ theo tính
chất từng loại hộ tiêu thụ (loại I, loại II, loại III).



Đảm bảo chất lượng điện năng, cụ thể là điện áp nút trong lưới và tần số
chung của hệ thống không được lệch ra khỏi phạm vi cho phép.



Đảm bảo giá thành sản xuất điện năng rẻ nhất (phụ thuộc vào khâu thiết kế
và vận hành hệ thống điện).

Để thực hiện tốt các yêu cầu trên người ta phải xây dựng những hệ thống điện
lớn liên kết nhiều nhà máy và khu vực khác nhau. Ngày nay, người ta đã xây dựng
được những hệ thống điện lớn xuyên quốc gia. Các ưu điểm chính của việc xây dựng
những hệ thống điện lớn là:


Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho phụ tải



Sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng, thực hiện được việc phân phối tối ưu
công suất giữa các nhà máy điện dẫn đến giảm giá thành điện năng.



Giảm tổng công suất dự trữ của hệ thống và có khả năng tăng công suất đơn
vị các tổ máy, cho phép xây dựng các nhà máy điện công suất lớn nâng cao
hiệu quả kinh tế trong sản xuất điện năng.



Giảm trị số cực đại của đồ thị phụ tải tổng của hệ thống.

Khi xây dựng các hệ thống điện lớn thì việc kiểm tra điều khiển các quá trình
trong hệ thống rất phức tạp. Để thực hiện việc này phải xây dựng các trung tâm điều độ
với các thiết bị thông tịn hiện đại. Trung tâm điều độ có những nhiệm vụ chủ yếu sau:


Đảm bảo việc sản xuất và tiêu thụ điện năng với sản lượng cao nhất.



Đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải, muốn vậy phải luôn ln duy trì
một lượng cơng suất dự trữ nhất định trong hệ thống.



Đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống không lệch ra khỏi các giá trị
cho phép.

4


CHƯƠNG 2


NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ

Đảm bảo tính kinh tế lớn nhất trong phạm vi tồn hệ thống, nghĩa là đảm bảo
chi phí sản xuất điện năng bé nhất.

2.2.

NGUYÊN NHÂN DAO ĐỘNG TẦN SỐ
Nguyên nhân của sự thay đổi tần số là do sự không phù hợp giữa sản xuất và

tiêu thụ. Tuy nhiên, nhờ vào những bộ điều chỉnh tần số và công suất, lượng thiếu hụt
cơng suất tác dụng có thể được loại trừ khi sẵn có một nguồn năng lượng nóng dự trữ,
có nghĩa là nếu như trước khi sự cố tuabin máy phát điện không phát hết công suất và
những bộ điều tốc của chúng không giới hạn lượng nước hoặc hơi cho vào. Nếu như

khơng có sẵn nguồn điện dự phịng thì dẫn đến kết quả lượng cơng suất thiếu hụt P
làm cho những máy móc quay chậm lại.
Với tốc độ quay chậm, cũng có nghĩa tần số giảm, như vậy lượng thiếu hụt công
suất ban đầu cũng giảm đồng thời với năng suất và công suất đầu ra của các động cơ
trong nhà máy giảm. Ví dụ, cơng suất ra của những quạt gió tỉ lệ với bình phương tần
số và công suất ra của một số máy bơm giảm theo bậc ba của tần số. Quá trình làm tần
số tiếp tục giảm đến khi P tiến tới zero, có nghĩa là cho đến khi đạt được tần số mới f’
thì cơng suất phát ra PF(f’) bằng với cơng suất tải tiêu thụ PT(f’). Tần số sẽ ổn định với
tần số dưới tần số định mức 50 Hz.
Nếu tình trạng mất cân bằng công suất giữa sản xuất và tiêu thụ gây ra do các sự
cố nghiêm trọng như mất nguồn phát hoặc sự cố hỏng hóc phần tử quan trọng trong hệ
thống như MBA truyền tải hoặc đường dây liên kết chính có thể gây ra rã hệ thống.
2.3.

HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ
Khi vận hành hệ thống tần số phải được duy trì quanh giá trị 50 ± 0.1 Hz. Thời

gian ngắn cho phép hoạt động tại tần số 50 ± 0.2 Hz. Khi thêm hoặc giảm phụ tải hoặc
khi hư hỏng máy phát phải cắt máy phát ra khỏi hệ thống sẽ xuất hiện mất cân bằng
công suất dẫn đến thay đổi tần số trong hệ thống. Tần số lệch khỏi định mức làm giảm

5


CHƯƠNG 2

NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ

chỉ tiêu kinh tế của nhà máy điện cũng như hộ tiêu thụ. Do đó, để hệ thống làm việc
kinh tế và tin cậy, không cho phép tần số vượt quá 1 – 2%.

2.3.1.

Ảnh hưởng đối với hộ tiêu thụ

Khi có sự thay đổi về tần số thì có thể gây ra một số hậu quả xấu vì:


Các thiết bị được thiết kế và tối ưu ở tần số định mức.



Làm giảm hiệu suất của thiết bị như động cơ, thiết bị truyền động.



Ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình sản xuất.

2.3.2.

Đối với hệ thống điện



Làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống điện



Thiết bị được tối ưu hóa ở tần số 50 Hz, đặc biệt là các thiết bị có cuộn dây
từ hóa như máy phát, máy biến áp. Khi tần số giảm sẽ làm biến đổi sức điện
động của tất cả máy phát điện và điện kháng của tất cả các nhánh và do đó sẽ

làm biến đổi điện áp ở tất cả các nút trong hệ thống.



2.3.3.

Tính ổn định của khối tuabin máy phát.
Ảnh hưởng tính ổn định của máy phát

Trong hệ thống điện, khi tải bị mất vì một lý do nào đó, tất cả các máy phát đều
phát hiện ra tình trạng mất cân bằng này, dẫn đến sự tăng tốc độ máy phát nhanh chóng
bởi bộ điều tốc. Giả sử thơng số đặt độ dốc của bộ điều tốc không thay đổi và tình
trạng vượt quá tốc độ vẫn tồn tại, máy phát sẽ khơng rơi vào tình trạng nguy hiểm nếu
nó hoạt động thấp hơn cơng suất định mức. Tuy nhiên, khi tải bị mất điện áp tải tăng
dẫn đến giảm kích từ, có thể xảy ra trường hợp ngắt máy phát do điện áp cao.
Ngược lại, khi tải của hệ thống tăng lên đột ngột, tất cả máy phát sẽ rơi vào tình
trạng quá tải và tốc độ của chúng giảm xuống thấp hơn mức bình thường. Trong trường
hợp này, điện áp của hệ thống giảm dẫn đến kích từ tăng, điều này làm quá tải rôto và
stato máy phát. Máy phát có thể bị ngắt do quá nhiệt hoặc quá kích từ hoặc tần số thấp.

6


CHƯƠNG 2

NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ

Khi tần số giảm, máy phát sẽ giảm tốc độ quay và vì vậy sức điện động máy
phát giảm dẫn đến điện áp hệ thống giảm. Điều này dẫn đến nguy cơ làm sụp đổ điện
áp, gây rối loạn nghiêm trọng hệ thống điện và làm ngưng hoàn toàn các trạm phát điện

song song hoặc chia hệ thống điện thành những phân đoạn vận hành riêng rẽ cùng với
sự mất điện của nhiều hộ tiêu thụ.
Công suất điện của các nhà máy nhiệt điện phụ thuộc rất lớn vào công suất cơ
của các thiết bị như: bơm nước, nghiền than và quạt hút... Vì vậy, khi tần số của hệ
thống giảm, công suất cơ của các thiết bị này giảm nhanh chóng, đồng thời giảm cơng
suất cung cấp cho tuabin máy phát. Chính mối tương quan chặt chẽ này sẽ gây ra tần số
suy giảm nghiêm trọng hơn và tuabin hơi có thể bị hỏng do hoạt động kéo dài ở tần số
thấp trong điều kiện quá tải.
2.3.4.

Ảnh hưởng tính ổn định của tuabin máy phát

Cả tuabin và máy phát đều có thể hoạt động được khi tần số lệch khỏi định mức
trong một giới hạn nào đó. Tuy nhiên, trong cùng một điều kiện thì tuabin sẽ gặp nguy
hiểm hơn máy phát.
Tuabin hơi được cấu tạo với nhiều tần cánh, từ những cánh rất ngắn trong phần
áp suất cao đến những cánh rất dài trong phần áp suất thấp. Khi tuabin hoạt động trong
điều kiện dao động tần số, nguy hiểm hàng đầu vẫn là dao động và cộng hưởng của các
cánh tuabin dài trong phần áp suất thấp. Mỗi cánh tuabin như một lá thép gắn chặt ở
gốc, vì vậy nó khơng thể chịu được sự uốn cong khi xảy ra dao đông. Khi vận hành ở
tần số dưới 49.5 Hz một vài bộ phận của tuabin hơi chịu đựng quá hạn rung bởi cộng
hưởng dao động các bộ phận tuabin dẫn đến kết quả là hủy độ bền kim loại và hư cánh
tuabin.
Khi tần số rơi dưới 49 Hz, những thiết bị điều chỉnh tuabin mở ra hoàn toàn và
tổ máy phát điện trở nên tải hoàn toàn. Hơn nữa, sự giảm tần số làm giảm hiệu suất của
các thiết bị của nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là những máy bơm nước, kết quả vận hành
7


CHƯƠNG 2

NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ

lâu dài ở tần số thấp sẽ làm giảm công suất của nhà máy và hơn nữa là lượng thiếu hụt
công suất tăng lên.
Trong khi các nhà máy thủy điện thường không bị ảnh hưởng nhiều khi tần số
suy giảm, thậm chí khi tần số giảm đến 10%, thì nhà máy nhiệt điện lại khá nhạy cảm
với tần số.
2.3.5.

Không đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện liên tục

Hệ thống sẽ ở trong tình trạng rất nguy hiểm nếu xảy ra sự mất cân bằng giữa
công suất phát và tiêu thụ do sự tăng tải đột ngột hoặc mất nguồn phát, và nếu không
can thiệp kịp thời sụp đổ hệ thống là điều tất yếu. Thật vậy, vào thời điểm đó cả động
cơ sơ cấp và máy phát của nó bắt đầu giảm tốc vì chúng cố gắng mang thật nhiều tải.
Ngoài ra các đường dây liên kết và các thành phần khác của hệ thống cũng trở nên quá
tải. Lúc này bảo vệ quá tải sẽ hoạt động cách ly đường dây bị quá tải, hoặc các thành
phần khác của hệ thống bị cách ly do dao động công suất và mất ổn định gây ra. Kết
quả là hệ thống điện bị chia tách ra thành hai hay nhiều vùng cô lập. Nếu một khu vực
bị thiếu hụt công suất nguồn phát, tần số trong khu vực sẽ giảm trừ khi máy phát có đủ
cơng suất dự trữ để đáp ứng nhanh lượng công suất bị thiếu hụt.
2.4.

BẢO VỆ TẦN SỐ THẤP KHỐI TUABIN HƠI - MÁY PHÁT
Bảo vệ tần số thấp tuabin hơi là chương trình tự động cắt tải được thiết kế để

duy trì sự cân bằng giữa công suất tải và máy phát. Bảo vệ này không đặt tại nhà máy
điện mà được đặt rải rác trong toàn hệ thống điện để bảo vệ cho các khu vực. Trong
nhiều trường hợp, bảo vệ này sẽ hoạt động nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa tải và máy

phát, lúc đó bảo vệ tần số thấp được thiết kế riêng cho tuabin không cần thiết hoạt
động. Tuy nhiên, khơng hồn tồn chắc chắn rằng thiết bị sa thải phụ tải tần số thấp
của hệ thống làm việc đúng như dự đốn. Vì vậy, cần có các bảo vệ riêng biệt cho
tuabin để bảo vệ tuabin khi chương trình cắt tải bị lỗi. Bảo vệ tần số đặc biệt của tuabin

8


CHƯƠNG 2

NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA DAO ĐỘNG TẦN SỐ

là giới hạn cuối cùng của bảo vệ và khi nó hoạt động sẽ dẫn đến khu vực bị mất điện
tạm thời.
Tiêu chuẩn bảo vệ tần số của tuabin:


Thiết lập tần số cắt và thời gian trễ dựa trên giới hạn tần số khơng bình
thường của tuabin.



Phối hợp rơle tần số thấp của máy phát tuabin với chương trình tự động cắt
tải của hệ thống.



Lỗi của một rơle tần số thấp đơn lẻ khơng gây ảnh hưởng cho tồn thể sơ đồ
bảo vệ.



Hệ thống bảo vệ tần số thấp của tuabin phải làm việc bất cứ khi nào máy
phát hoạt động đồng bộ với hệ thống, hay tách ra khỏi hệ thống nhưng vẫn
còn cung cấp điện cho tự dùng.

Lưu ý rằng không cần thiết cắt máy phát trong trường hợp có sự sai lệch tần số
mà hệ thống có thể tự phục hồi. Nếu cắt không cần thiết tuabin khi xảy ra tình trạng
khẩn cấp có thể làm sự không cân bằng tải xấu đi và hệ thống sẽ sụp đổ hồn tồn. Vì
thế sơ đồ cắt tải của hệ thống phải cắt trước khi bảo vệ tần số của tuabin hoạt động cắt
máy phát.
Tóm lại, sơ đồ bảo vệ tuabin tần số thấp phải được phối hợp với các sơ đồ sa
thải phụ tải theo tần số hệ thống. Hầu hết trong những hệ thống điện lớn cần một sơ đồ
sa thải phụ tải sử dụng rơle tần số thấp để cắt một phần tải khi tần số hệ thống nhỏ hơn
bình thường. Những sơ đồ bảo vệ này làm giảm phần lớn sự không cân bằng giữa tải
và nguồn trong khu vực và nó có thể đưa hệ thống trở lại trạng thái ổn định.

9


CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ…

CHƯƠNG 3:
ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ KHI MẤT CÂN BẰNG CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
3.1.

SỰ TỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

Trước hết ta xét trường hợp đơn giản nhất: trong máy phát khơng có điều chỉnh


Momen phát động của tuabin Cm tỉ lệ với tần số;



Momen cản Ca phụ thuộc vào phụ tải là một biến tỉ lệ nghịch;



Đường đặc tính của phụ tải và máy phát là ngược nhau.

Chế độ xác lập ban đầu được xác định như sau:

Hình 3.1 – Đặc tính điều chỉnh của máy phát và tải
Khi đó nếu khơng có thao tác điều chỉnh thì một bước tăng của phụ tải sẽ
chuyển điểm làm việc lên M1.
Coi đường cong tuyến tính quanh M0, ta có:

α : Hệ số tự điều chỉnh của hệ thống

10


CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ…

Vấn đề đặt ra trong trường hợp tự điều chỉnh là F quá lớn để có thể chấp nhận

được do đó cần thiết phải có điều chỉnh sơ cấp.
3.2.

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ SƠ CẤP

3.2.1.

Định nghĩa điều chỉnh tần số sơ cấp

Điều chỉnh tần số sơ cấp được thực hiện bởi số lượng lớn các tổ máy có bộ phận
điều chỉnh cơng suất tuabin, cho phép thay đổi lưu lượng nước hoặc hơi qua tổ máy tỷ
lệ với sự biến đổi của tần số. Đáp ứng của việc điều chỉnh tần số biểu diễn ở MW/Hz
và gọi là hệ số độ dốc đặc tính tần số R. Như vậy, với sự thay đổi có giới hạn của phụ
tải tần số có thể bù lại bằng cách tự động điều chỉnh tần số sơ cấp.
Mục đích của việc điều chỉnh sơ cấp:


Nhanh chóng kiềm chế sự mất cân bằng giữa cơng suất phát và phụ tải,
nhưng vẫn cịn tồn tại một độ lệch tần số.



3.2.2.

Làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống.
Nguyên tắc điều khiển tần số

Điều chỉnh tần số trong các hệ thống điện lực hiện đại là một trong những nhiệm
vụ quan trọng nhất của điều khiển hệ thống. Trong hệ thống cần phải giao nhiệm vụ
điều chỉnh tần số cho một số nhà máy điện nhất định (làm việc ở phần đỉnh phụ tải).

Hình 3.2 là sơ đồ nguyên lý điều
chỉnh tần số máy phát điện, hình 3.3 là các
đường đặc tính tần số của thiết bị tự động
điều chỉnh tốc độ của tuabin (PF0) và đặc tính
tần số của phụ tải tổng của hệ thống có xét
đến tổn thất trong mạng (Ppt0). Giao điểm của
hai đường đặc tính này xác định tần số làm
việc của hệ thống f0.
Hình 3.2 – Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tần số máy phát điện
11


CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ…

Hình 3.3 – Đường đặc tính tần số của thiết bị tự
động điều chỉnh tốc độ của tuabin

Giả sử phụ tải tổng trong hệ thống tăng lên và ta có đường đặc tính Ppt. Nếu
khơng có thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ tức công suất của máy phát điện không đổi
(bằng P0), hệ thống sẽ chuyển sang làm việc tại điểm a và tần số sẽ giảm xuống trị số
f1. Khi có điều chỉnh tốc độ tức có điều chỉnh sơ cấp thì hệ thống sẽ làm việc tại điểm b
và tần số sẽ giảm xuống trị số f1< f2< f0. Khi có thiết bị tự động điều chỉnh tần số tức
có điều chỉnh thứ cấp thì đường đặc tính tần số của máy phát sẽ dịch chuyển lên thành
đường (PF) và hệ thống sẽ làm việc tại điểm c, ứng với nó ta có tần số f’0 = f0.
Có thể chia q trình điều chỉnh tần số thành 3 giai đoạn:
1. Lúc đầu khi phụ tải tăng đột ngột tần số chưa kịp biến đổi nên thiết bị tự
động điều chỉnh tốc độ và tần số chưa tác động. Công suất tải tăng sẽ do mỗi
tổ máy phát gánh vác một phần, ít hay nhiều phụ thuộc vào sức điện động và

góc pha của chúng và các điện kháng trong mạng.

Trong lúc đó cơng suất của tuabin vẫn chưa tăng, do đó các máy phát bị hãm
và tần số trong hệ thống giảm xuống.
2. Khi độ lệch của tần số vượt quá vùng không nhạy của thiết bị tự động điều
chỉnh tốc độ tuabin (khoảng 0.05% fđm đối với tuabin hơi và 0.02% fđm đối
với tuabin nước) thì các bộ điều chỉnh tốc độ bắt đầu làm việc. Nhưng vì do
12


CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ…

quán tính nên tác động chậm trễ khoảng 1 ÷ 2 s, sau khi tác động lượng hơi
nước (hoặc nước) vào tuabin tăng và tần số bắt đầu tăng (đoạn ab trên đặc
tính Ppt).
3. Khi độ lệch của tần số vượt quá vùng không nhạy của thiết bị tự động điều
chỉnh tần số (khoảng 0.02%) thì nó bắt đầu tác động và làm dịch chuyển
đường đặc tính điều chỉnh tốc độ của tuabin. Tốc độ dịch chuyển tương đối
chậm, quá trình điều chỉnh chiếm khoảng 30 ÷ 40 s mới phục hồi được tần
số định mức.
3.2.3.

Biểu thức tính tốn

Khi có thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ, đường đặc tính tần số của điều chỉnh
tốc độ PF(f) và đường đặc tính tĩnh của phụ tải Ppt(f) có tốc độ được xác định như sau:

Trong đó:

PFđm : Tổng công suất định mức các máy phát điện;
Ppt: Tổng công suất phụ tải và tổn thất trong mạng điện.

Dấu - ở công thức (3.5) chỉ ra rằng, khi tần số giảm (f < 0) thì cơng suất các
máy phát điện tăng lên (PF> 0). Ngược lại, ở công thức (3.6) khi tần số tăng (f > 0)
thì cơng suất phụ tải cũng tăng.
Gọi  là hệ số dự trữ:
13


CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ…

Khi trong hệ thống có biến đổi về cân bằng công suất một lượng:

Sẽ làm cho tần số biến đổi một lượng là f, xác định bởi phương trình sau:

Suy ra:

Từ cơng thức (3.10) thấy rằng, khi độ dốc KF càng lớn nghĩa là đường đặc tính
PF(f) càng dốc thì tần số càng ổn định. Độ dốc đặc tính của máy phát tương đối lớn KF
= (15 ÷ 20) đối với máy phát tuabin hơi và KF = (25 ÷ 50) đối với máy phát tuabin
nước. Khi cơng suất tổ máy khơng đổi tức khơng có thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ,
độ dốc của đặc tính KF = 0.
Khi có nhiều tổ máy trong hệ thống thì cần xác định độ dốc trung bình KFtb cho
tất cả các tổ máy.
Đối với mỗi tổ máy ta có:

Cộng lại ta có:

Hay:
14