C16 dieu chinh tan so va CS

409

Chương

16

TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT
THỰC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
16.1 TỔNG QUÁT
Khi vận hành hệ thống, tần số phải được duy trì hằng số (liên tục tại giá trị (50 ± 0,1Hz).
Thời gian ngắn hoạt động tại tần số khoảng 50 ± 0,2Hz được cho phép. Sự khác nhau giữa thời
gian thiên văn và thời gian đồng hồ điện đồng bộ không nên lớn hơn ±2 phút trong 24 giờ.
Tần số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá phẩm chất điện năng. Độ lệch tần số,
khác với độ lệch điện áp, là trong tất cả các điểm của hệ thống đang làm việc đồng bộ giống
nhau. Sự thay đổi tần số xảy ra do mất cân bằng công suất tổng của các động cơ sơ cấp (turbine)
và phụ tải của MF trong hệ thống, điều này được mô tả bằng phương trình
Jω

dω
= PT − ( Ppt + Ptt ) = Pm − Pe
dt

(16.1)

trong đó: PT - tổng công suất của các turbine (công suất cơ Pm)
Ppt - tổng công suất phụ tải hệ thống
Ptt - tổng công suất tổn thất
Pe - tổng công suất điện
J - mômen quán tính tổng của các tổ máy trong hệ thống
ω = 2πf - vận tốc góc.
Trong chế độ xác lập PT − ( Ppt0 + Ptt0 ) = 0

Lúc đó

ω = const

Khi thêm hoặc giảm phụ tải, hay khi hư hỏng cắt MF 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 chỉ
tiêu kinh tế của nhà máy điện cũng như hộ tiêu thụ. Do đó, để làm việc kinh tế và tin cậy của các
phần tử trong HTĐ không cho phép tần số vượt quá 1 - 2%.
Tần số được điều chỉnh bằng cách thay đổi lượng hơi nước (nước) vào turbine MF. Khi thay
đổi lượng hơi nước (nước) vào turbine, công suất tác dụng truyền đi của các MF cũng thay đổi, như
vậy việc điều chỉnh tần số trong HTĐ liên quan hữu cơ đến điều chỉnh công suất thực giữa các tổ
máy và nhà máy điện.
Khi tần số giảm thấp dưới giá trị cho phép, điều hành viên lưới phân phối hoặc HTĐ phải
huy động công suất dự trữ vào hoạt động. Nếu tần số tải tiếp tục giảm và tất cả các nguồn dự trữ
đã cạn kiệt, điều hành viên phải đảm bảo lập lại trạng thái hoạt động bình thường bằng việc giới
hạn hoặc cắt bớt phụ tải tuân theo hướng dẫn điều chỉnh tần số phụ tải.


410

Tần số HTĐ phụ thuộc vào sự cân bằng công suất thực. Khi có sự thay đổi ở một điểm nào
đó của hệ thống thì tần số hệ thống thay đổi. Trong hệ thống có nhiều tổ, nhiều nhà máy nên cần
có sự phân phối công suất giữa các tổ máy. Bộ điều chỉnh tốc độ turbine của mỗi máy làm chức
năng điều chỉnh tốc độ sơ cấp (Governor), trong khi bộ điều khiển thứ cấp bổ sung làm nhiệm vụ
phân phối (AGC).
Trong một hệ thống liên kết có hai hay nhiều khu vực điều khiển độc lập, ngoài bộ điều
khiển tần số nguồn phát trong mỗi khu vực phải điều khiển đề duy trì lượng công suất giữa các
khu vực theo lịch định trước. Điều khiển nguồn phát và tần số được gọi là điều khiển tần số tải
(LFC).
Chu trình điều khiển tần số và phân phối công suất thực tự động trong HTĐ được mô tả tổng

quát bằng sơ đồ khối (H.16.1).
Công suất truyền đường dây liên lạc
Bộ điều khiển
thứ cấp

Hệ thống điện:
- tải
- hệ thống truyền tải
- các tổ máy khác

Tần số

Hệ thống cấp
năng lượng sơ cấp:
nước, hơi...
Động cơ thay
đổi tốc độ chuẩn

Hệ thống điều
khiển turbine
sơ cấp

Van hay
cổng nước

Turbine

Máy phát

Hình 16.1 Sơ đồ khối điều khiển tần số và phân phối công suất thực

Ngày nay, các thiết bị tự động điều khiển cho đáp ứng duy trì tần số phụ tải của hệ thống
kết hợp sự phân phối công suất kinh tế giữa các khối MF mắc song song và điều khiển dòng công
suất đáp ứng lượng công suất thiếu liên kết giữa HTĐ và bên trong chúng.
Chúng ta sẽ khảo sát các yêu cầu của bộ điều chỉnh tốc độ turbine sơ cấp và điều khiển bổ
sung thứ cấp.
Các bộ điều tốc sơ cấp được thiết kế để duy trì tốc độ khối MF–turbine, khi phụ tải MF biến

thiên, bằng sự thay đổi hơi nước (nước), cung cấp cho turbine theo yêu cầu phụ tải. Theo thiết kế
của bộ điều tốc có thể giới hạn hơi nước (nước) cung cấp cho turbine đến giá trị cực đại khi các
phụ tải vượt quá và đến giá trị cực tiểu khi các phụ tải MF ở dưới giá trị đặt trước.
Khi MF mất tải đột ngột, sự hoạt động của các bộ điều tốc phải ngăn chặn hoạt động của
tự động điều khiển ở mức an toàn mà đã được cài đặt cho turbine để đề phòng quá tốc độ và giúp
BV cho hoạt động của bộ điều tốc. Giá trị quá tốc độ mà điều khiển an toàn được lấy từ sự hoạt
động bằng 112% giá trị bình thường đối với turbine các MF hơi nước tốc độ cao và 130% đối với
MF thủy điện tốc độ thấp.
Các thiết bị điều khiển thứ cấp: Các thiết bị điều khiển thứ cấp giữ cho tốc độ turbine không

đổi (tần số không đổi) ở các giá trị khác nhau của tải. Những tác động này lên bộ điều tốc sơ cấp qua
một bộ thay đổi tốc độ chuẩn trong trường hợp thay đổi tần số tải, dòng công suất... Các thiết bị hoạt


411

động liên kết với các nhóm điều khiển công suất tác dụng của MF tại nhà máy điện nhiều tổ máy.
Thiết bị điều khiển nhóm cho phép nhà máy điện có các tổ máy được điều khiển nhóm được đánh
giá như một nhà MF riêng có thể hoạt động nhờ một bộ điều khiển xác định sự tham gia điều khiển
công suất ngõ ra và tần số của nhà máy điện trong toàn hệ thống.
Để liên kết hoạt động của nhà máy với nhóm điều khiển của các tổ máy khả thi, các bộ
điều khiển công suất của các thiết bị này sẽ được điều khiển hoặc là từ hệ thống điều chỉnh chung

cung cấp các kiểu điều chỉnh theo lý thuyết và chia cho mỗi nhà máy trong quá trình điều chỉnh
công suất chung hoặc là sẽ hoạt động tuân theo sơ đồ tải đã ghi; quan trọng là sơ đồ được ghi
chính xác tần số và dòng công suất thực trên các dây liên kết.

16.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ LÊN TỔ TURBINE–MÁY PHÁT
16.2.1 Ảnh hưởng sự thay đổi tần số lên máy phát
Trong một HTĐ, tải bị mất vì bất kỳ một lý do nào, tất cả các MF phát hiện tình trạng
không cân bằng này, dẫn đến sự tăng tốc độ MF một cách nhanh chóng bởi độ điều tốc. Giả sử
rằng thông số đặt độ dốc đặc tính điều chỉnh phụ thuộc của bộ điều tốc không thay đổi (độ dốc độ
phụ thuộc của bộ điều tốc sẽ xác định sự thay đổi của tốc độ MF hay tần số theo sự thay đổi của
tải), khi đó tình trạng vượt quá tốc độ vẫn tồn tại, MF sẽ không rơi vào tình trạng nguy hiểm nếu
nó hoạt động thấp hơn công suất định mức và bộ làm mát được cải thiện để thích hợp với sự tăng
tốc. Tuy nhiên, khi tải bị mất, điện tải sẽ tăng dẫn đến phải giảm kích từ, tùy thuộc vào độ nhạy
và thông số đặt của những rơle này cũng có thể xảy ra trường hợp là một MF sẽ bị ngắt do điện
thế cao. MF bị ngắt trong trường hợp này không cần thiết.
Trong khu vực tần số thấp sẽ xảy ra tình trạng ngược lại với tình trạng ở trên. Ở đây tất cả
các MF sẽ rơi vàp tình trạng quá tải và tốc độ giảm thấp hơn bình thường. Điện thế của hệ thống
sẽ giảm, dẫn đến kích từ tăng, có thể đạt đến giới hạn, điều này làm quá tải stator và rotor. MF
cần đến bộ phận BV khi stator, rotor quá nóng, quá kích từ và tần số thấp (V/Hz). Tuy nhiên, BV
không nên quá nhạy có thể cắt MF trong những tình trạng không thật sự cần thiết.
Tiêu chuẩn ANSI đưa ra khả năng chịu nhiệt của MF turbine hơi trình bày ở bảng 16.1.
Bảng 16.1 Khả năng chịu nhiệt của MF điện
Giới hạn dòng stator (đvtđ) theo dòng định

Giới hạn điện thế stator (đvtđ) theo điện

mức

thế kích từ định mức

120

1,16

1,13

60

1,3

1,25

30

1,54

1,45

10

2,26

2,08

Thời gian làm việc cho phép (s)

Biểu thức tổng quát tính thời gian làm việc chịu nhiệt MF cho phép
(x2 – 1)t = k
trong đó: t - thời gian làm việc tối đa cho phép
x - dòng stator hay điện thế kích từ (đvtđ)

k - hằng số, k = 41 đối với stator, k = 33 đối với rotor.


412

Hầu hết các bộ điều áp hiện đại đều cung cấp BV quá kích từ để làm giảm điện thế kích từ
đến một giá trị an toàn sau một thời gian trễ thích hợp. Sự giảm điện thế này cũng có thể làm giảm
dòng điện stator, nhưng sự quá tải dòng điện stator phụ thuộc vào hệ thống và BV stator không thể
dựa vào sự giảm điện thế này.
Trong thời gian MF vận hành liên tục vượt quá giới hạn ở bảng 16.1, cần giảm công suất để giảm
dòng hay giảm điện thế để giảm tỷ số V/Hz. Sự hạn chế của MF khi tần số giảm cho ở hình 16.2.
P(%) 106

V(%) 106

104

104

102

102

100

100

98

98

96

96

94

94

92

92

90

90

88

88

86

86

84

46

48

50

52

54

84

Hz

46

48

50

52

54

Hz

Hình 16.2 Hạn chế vận hành MF khi tần số giảm

Để thỏa mãn giới hạn V/Hz, điện thế của MF nên giảm cùng tỷ lệ với sự giảm tần số nhằm
khôi phục từ thông bình thường. Việc này làm giảm V–A của tải đến một giá trị chấp nhận. Tuy
nhiên, không chắc đạt được điều này. Một số nhà sản xuất đã đưa ra giới hạn thời gian cho tiêu
chuẩn V/Hz được trình bày ở hình 16.3. Thời gian ngắt của BV phải được điều chỉnh trong giới hạn.
V [%] 130

Hz
125
120
115
110
105
100
0,1

1

10

100

Hình 16.3 Giới hạn thời gian làm việc của MF theo tỷ số V/Hz

1000

t[phút]


413

16.2.2 Ảnh hưởng tần số lên turbine
Turbine nước không bị ảnh hưởng nhiều khi tần số cao hay thấp.
Turbine hơi được cấu tạo với nhiều tần cánh, từ những cánh rất ngắn trong phần áp suất cao
đến những cánh dài trong phần áp suất thấp. Mỗi cánh như một lá thép được gắn chặt ở gốc và vì
vậy nó có thể chịu được sự uốn cong khi xảy ra dao động nhỏ. Tần số dao động tự nhiên của cánh
turbine gồm hai phần: phần 1 phụ thuộc vào tần số dao động tự nhiên khi cánh turbine ở trạng thái

ổn định và phần 2 phụ thuộc vào tốc độ của sự dao động và các yếu tố khác như đường kính trục, độ
dài cánh.
Khi tần số thay đổi, vật liệu chế tạo
turbine phải chịu rung động ứng suất cao
dẫn đến hư hỏng phần cơ của turbine. Hình
16.4 giới thiệu ứng suất hiện trên turbine
khi tần số thay đổi quanh định mức.

Vùng
nguy hiểm

Vùng an toàn

Vùng
nguy hiểm

Để BV turbine, các nhà sản xuất
f [Hz]
50
turbine hơi cung cấp các đặc tính thời gian
Hình 16.4 Ứng suất lên turbine khi tần số thay đổi
turbine có khả năng hoạt động ở tốc độ
không phải định mức. Hình 16.4 giới thiệu
đường cong cho turbine của hai nhà sản xuất khác nhau.
Theo nhà sản xuất A, khi độ lệch tần số nằm trong khoảng 49,4 ÷ 50,6Hz, turbine có thể hoạt
động liên tục mà không bị giảm tuổi thọ do cánh turbine đạt đến giới hạn chịu đựng. Khi độ lệch
tần số tăng theo hướng lên hay xuống, thời gian hoạt động của turbinee được biểu diễn bằng
đường nghiêng. Tổng thời gian hoạt động cho phép của turbine ở tần số dưới 46,5Hz là 1s.
Nhà sản xuất B biểu diễn khoảng tần số cho phép hoạt động liên tục nằm giữa 50,5 và
49,5Hz. Khi tần số hoạt động lớn hơn 50,5Hz, không có ảnh hưởng lớn đến turbine do sự đáp ứng

nhanh chóng của bộ điều tốc. Khi tần số giảm, thời gian hoạt động cho phép của turbine giảm theo
đường bậc thang (H.16.5).
f[Hz] 54
53
Khoảng tần số làm việc an toàn

52
A
B

51

50,5
50
49,5

50
49
48
B

A

47
46
45

1,0s
0,01

0,1

1

10

100

1000

10.000 t[phút]

Hình 16.5 Thời gian hoạt động của turbine ở tần số không bình thường


414

Giả sử rằng tần số tăng lên 51,25Hz và turbine của nhà sản xuất A (H.16.5) hoạt động được
khoảng 30 phút với tần số này. Nếu bộ điều tốc không thể đáp ứng nhanh chóng, người vận hành
vẫn đủ thời gian để giảm tốc độ turbine trước khi vượt quá giới hạn của turbine. Nếu sự lệch tần số
cao hơn, một rơle tần số cao có thể được dùng để đưa thông số bộ điều tốc trở về giá trị ban đầu
điều chỉnh lại công suất của turbine theo mong muốn.
Hoạt động với tần số thấp nguy hiểm hơn hoạt động với tần số cao, tuy nhiên không nên cắt
turbine nếu có thể điều chỉnh về vận hành. Turbine cần được BV bằng rơle tần số thấp để chống
lại sự giảm thấp của tần số sẽ làm giảm tuổi thọ của turbine. BV tần số giảm phức tạp vì đáp ứng
tần số của hệ thống phụ thuộc vào độ lớn của sự mất cân bằng do mất nguồn phát nào đó, và các
đặc tính điều chỉnh. Nếu thiếu hụt công suất phát lớn, tần số sẽ giảm thấp hơn, lúc này cần BV sa
thải phụ tải theo tần số làm việc trước tiên.

16.3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TURBINE SƠ CẤP

Việc điều chỉnh tốc độ turbine được minh họa bằng mô hình tổ MF độc lập cung cấp cho
một tải như hình 16.6.
Khi tải thay đổi thì mômen điện ở đầu thực MF thay đổi theo tức thời. Điều này làm chênh
lệch giữa Mm và Me sinh ra thay đổi tốc độ turbine theo phương trình chuyển động (16.1). Phương
trình (16.1) được viết lại trong đơn vị tương đối
(ωo = 1; ∆Pm – ∆Pe = ∆Mm – ∆Me).
J

dω
= ∆Pm − ∆Pe
dt

(16.2)

Van hay
cổng trước

Mm
Turbine

Hơi hay nước

Pm

G

Pe

Me
Governor

Tải
PL

Tốc độ

Hình 16.6 Máy phát cung cấp cho một tải độc lập
Mm - mômen quay cơ; Me - mômen quay điện; Pm - công suất cơ
Pe: công suất điện; PL: công suất phụ tải

và có thể biểu diễn bằng hàm số tuyến như hình 16.7.
trong đó (H.16.3): s - toán tử Laplace
TM - hằng số quán tính thời gian của MF.
Trong một khoảng thay đổi tốc độ công
suất cơ turbine là hàm số của vị trí van hơi của
turbine hơi hay cổng nước của turbine nước và
độc lập theo tần số.

1
T MS

(đvtđ)
TM = 2H

Hình 16.7 Hàm số tuyến giữa
tốc độ và công suất

16.3.1 Đáp ứng tải theo độ lệch tần số
Tổng quát công suất tải của HTĐ là hàm số của tần số; những tải như điện trở, nhiệt, ánh
sáng thì công suất độc lập theo tần số. Trường hợp chung đặc tính phụ thuộc tần số của tải được

viết như sau:


415

∆Pe = ∆PL + D∆ωr

(16.3)

trong đó: ∆PL - độ thay đổi của tải không theo tần số
D∆ωr - độ thay đổi của tải thay đổi theo tần số
D - hệ số điều chỉnh phụ tải (hệ số giảm tải).
Hệ số điều chỉnh phụ tải được hiểu như là số phần trăm thay đổi công suất tải đối với 1%
thay đối tần số. D có giá trị khoảng từ 1 đến 2. D = 2, nghóa là khi tần số thay đổi 1% thì làm công
suất tải thay đổi 2%.
Sơ đồ khối hệ thống có kể đến ảnh hưởng của hệ số điều chỉnh phụ tải cho ở hình 16.8a và
thu gọn như hình 16.8b.
+

+

1

1
TMS + D

TMS
a)

b)

Hình 16.8 Sơ đồ khối tổ MF và tải có kể đến ảnh hưởng hệ số điều chỉnh phụ tải

Khi không có bộ điều tốc, đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi tải thì phụ thuộc vào hằng
số quán tính và hệ số điều chỉnh phụ tải. Độ lệch tốc độ khi tải thay đổi sẽ được cân bằng bởi sự
thay đổi công suất phụ tải khi tần số lệch, có nghóa là tần số hệ thống sẽ ổn định với tần số khác
khác với tần số định mức ban đầu.

16.3.2 Đặc tính điều chỉnh tốc độ turbine độc lập
Điều chỉnh tốc độ có đặc tính độc lập có nghóa là luôn giữ tốc độ turbine là hằng số độc lập
với công suất phát ra. Bộ điều tốc này sẽ điều khiển van hơi của turbine hơi và cổng nước của
turbine nước để đưa tần số về định mức. Hình 16.9 giới thiệu sơ đồ khối loại này.
Van hay
cổng nước
Hơi hay nước

Pm

Turbine

-K’

∆ωr

Pe

ωr
+

∆Y

Bộ
Tích phân

G

Σ

-

Tốc độ chuẩn ωo

Y - vị trí van hơi hay cổng nước; ωr - tốc độ rotor

Hình 16.9 Sơ đồ của bộ điều chỉnh đặc tính độc lập

Tốc độ quay rotor ωr được so sánh với tốc độ chuẩn ωo. Tín hiệu sai số ∆ωr (độ lệch tốc độ)
được khuếch đại và tích phân lên và cho ra tín hiệu điều khiển ∆Y để tác động lên van hơi của
turbine hơi hay cổng nước của turbine nước. ∆Y sẽ đạt đến vị trí ổn định chỉ khi ∆ωr = 0.


416

Hình 16.10 cho đáp ứng thời gian của
một tổ MF có bộ điều chỉnh tốc độ đặc tuyến
độc lập. Khi tăng công suất điện Pe làm tần
số giảm với tốc độ phụ thuộc vào quán tính
rotor. Khi tốc độ giảm, công suất cơ turbine
bắt đầu tăng. Điều này làm giảm mức độ
giảm của tốc độ turbine và sau đó gia tăng
tốc độ khi công suất turbine lớn hơn công

suất tải. Tốc độ turbine sẽ quay về giá trị
chuẩn và công suất turbine xác lập được gia
tăng một lượng bằng với lượng công suất tải
thay đổi.

ω0
ωr

tốc độ rotor
công suất cơ

Pm
∆Pm = ∆PL

Pm0

thời gian (s)

Hình 16.10 Đáp ứng thời gian của
tổ máy có đặc tính độc lập

Đặc tuyến điều chỉnh tốc độ độc lập
được dùng thích hợp khi tổ MF cung cấp cho một tải độc lập hay khi chỉ có một MF trong hệ thống
được yêu cầu đáp ứng phụ tải (máy chủ đạo). Để phân phối công suất giữa các tổ máy trong hệ
thống, đặc tuyến điều chỉnh tốc độ phụ thuộc (có độ dốc) được dùng.

16.3.3 Đặc tính điều chỉnh tốc độ phụ thuộc
Đặc tính điều tốc độc lập không thể được dùng khi các tổ máy làm việc song song vì không thể
phân bố công suất ổn định giữa các tổ máy. Để phân phối công suất ổn định giữa hai hay nhiều tổ máy
làm việc song song, các bộ điều tốc phải có đặc tính phụ thuộc, tốc độ giảm khi tải tăng.

Đặc tính phụ thuộc của bộ điều tốc có thể được thực hiện bằng cách thêm vào mạch hồi tiếp
như hình 16.11a. Hàm số truyền của bộ điều tốc (H.16.11a) được đơn giản như hình 16.11b, c. Bộ
điều tốc loại này được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ có độ lợi 1/R.
Van hay cổng
Turbine

Hơi
nước

Trục quay
+

Bộ
tích phân

K

Tốc độ
chuẩn

R

b)

R

-

a)

1
R

K

Máy phát

c)

1
R

1
1 + sTG

TG =

1
KR

Hình 16.11 Bộ điều tốc đặc tính phụ thuộc

Bộ điều chỉnh sẽ điều chỉnh tốc độ turbine giảm khi công suất phát ra của tổ máy tăng.
Đặc tính điều chỉnh có dạng như hình 16.12 với R là độ dốc.
R là tỷ số giữa độ lệch tốc độ (∆ωr) hay độ lệch tần số ∆f và vị trí van hay (cổng nước) hay
công suất phát ra ∆P của tổ máy. R được xác định
 ω − ω1 
 × 100
R% =  2
 ωo 

(16.4)


417

với: ω2 - tốc độ xác lập ở không tải
ω1 - tốc độ xác lập lúc đầy tải
ωo - tốc độ định mức.
Ví dụ, đặc tính điều chỉnh có độ dốc R = 5%, nghóa là một độ lệch tần số 5% làm thay đối
100% vị trí van hay công suất ra.
Hình 16.13 cho một đáp ứng thời gian của tổ máy có đặc tính điều chỉnh phụ thuộc khi tải
tăng lên. Vì đặc tính có độ dốc nên khi tăng công suất phát ra, tốc độ hay tần số ổn định mới sẽ
giảm so với tốc độ lúc ban đầu (độ lệch ∆ss).
f,

r

(đvtđ)

tốc độ rotor
R = f/ P
f=f-f
= tốc độ lúc đẩy tải
= tốc độ lúc không tải
0

công suất cơ
Pm
Pm0

1,0

t(s)

Hình 16.12 Đặc tính điều chỉnh
tốc độ phụ thuộc lý tưởng

Hình 16.13 Đáp ứng thời gian của tổ máy
phát có đặc tính điều chỉnh phụ thuộc

16.4 CÁC TỔ MÁY PHÁT LÀM VIỆC SONG SONG
16.4.1 Phân phối công suất giữa các tổ máy làm việc song song
Trong hệ thống có các tổ máy làm việc với các độ dốc điều chỉnh tốc độ khác nhau thì sẽ có
một tần số thống nhất, ở đó sẽ có sự phân bố công suất ổn định giữa các tổ máy. Để đơn giản,
quan sát hệ thống có hai tổ máy có đặc tính điều chỉnh tốc độ như hình 16.14. Chúng làm việc ban
đầu với tần số fo, công suất phát ra mỗi tổ máy là P1 và P2.
f

Hz

f

Hz

f0
f’0

P1

P’1

Công suất phát ra

Tổ máy 1

P2

P’2 Công suất phát ra

Tổ máy 2

Hình 16.14 Phân bố công suất giữa các tổ máy
làm việc song song có đặc tính điều chỉnh phụ

Khi tải tăng lên một lượng ∆PL, các tổ máy quay chậm lại, các bộ điều chỉnh làm tăng công
suất ra tới khi đạt được tần số làm việc mới f’. Lượng công suất gánh thêm của mỗi tổ máy phụ
thuộc vào độ dốc của nó.


418

,
∆f
;
∆P1 = P1 − P1 =
R1

,
∆f

∆P2 = P2 − P2 =
R2

∆P1
R
= 2
∆P2
R1

Vì thế

(16.5)

Nhận thấy lượng công suất tải thêm tỷ lệ nghịch với độ dốc của đặc tính điều chỉnh.

16.4.2 Điều khiển công suất phát ra của tổ máy
Quan hệ giữa tốc độ và tải có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi một đại lượng được gọi
là “điểm chuẩn tải” như trong hình 16.15a và đơn giản như hình 16.15b.
Trong thực tế, điều chỉnh điểm chuẩn tải được thực hiện bằng “động cơ thay đổi tốc độ
chuẩn”. Hiệu quả của việc điều chỉnh này được thể hiện bằng họ đường đặc tính song song khi
động cơ thay đổi tốc độ có tốc độ đặt khác nhau như hình 16.15c.
Ba đặc tính trên hình 16.15c vẽ tương ứng với ba trị số đặt chuẩn tải khác nhau. Ở 50Hz,
công suất phát ra của tải đặc tính A là 0, đặc tính B là 50% và đặc tính C là 100%. Như thế công
suất phát ra của một tổ máy ở tốc độ cho trước có thể điều chỉnh phát ra lượng công suất bất kỳ
mong muốn bằng cách điều chỉnh triï đặt chuẩn tải thông qua động cơ thay đổi tốc độ chuẩn. Đối
với mỗi trị số đặt, đặc tính tốc độ tải có độ dốc 5%, nghóa là thay đổi tốc độ 5%, (3Hz) tạo thay đổi
100% công suất phát ra.
Van hay cổng
Turbine
Hơi

hay nước

Điểm
chuẩn tải

1
S
+

trục
+

K

tới máy
phát
+

Hz

Tốc độ
chuẩn

53

C

52

B

51
50

R

3 Hz = 5%

A

a)
1
R

+

b)

1
1 + sTG

0

50

Chuẩn tải

100

Công suất

phát %

c)

Hình 16.15 Điều chỉnh tốc độ quay turbine để điều khiển công suất phát ra
Tần số
3

Hz

Trong hệ thống có hai hay nhiều tổ
máy làm việc song song, đặc tính phụ thuộc
(tương ứng với trị số đặt chuẩn tải) của mỗi
tổ máy sẽ xác định lượng tải gánh tỷ lệ theo
độ dốc khi có sự thay đổi công suất tải đột
ngột. Lượng công suất phát ra của mỗi tổ
máy ở tần số hệ thống cho trước chỉ có thể
thay đổi được bằng cách thay đổi trị chuẩn
tải của nó, tức là thay đổi đặc tính song song
lên hay xuống.
Khi một tổ MF cung cấp cho một tải
độc lập, điều chỉnh động cơ thay đổi tốc độ

2

1
Công suất
phát ra (%)
0

100

Hình 16.16 Đặc tính điều chỉnh tốc độ
lý tưởng và thực tế


419

làm thay đổi tốc độ tổ máy. Tuy nhiên, khi tổ máy làm việc trong hệ thống, điều chỉnh động cơ
thay đổi tốc độ làm thay đổi lượng công suất phát ra, nó ảnh hưởng rất ít lên tần số và độ ảnh
hưởng phụ thuộc vào công suất tương đối của tổ máy so với tổng công suất phát ra của hệ thống.

16.4.3 Đặc tính điều chỉnh thực tế
Các đặc tính điều chỉnh đã nêu trên là các đường lý tưởng, trong thực tế đặc tính có dạng như
hình 16.16. Đối với turbine hơi có một số van điều khiển, mỗi van có diện tích thoát hơi không tuyến
tính theo vị trí của van vì thế đặc tính có dạng đường cong 2. Đối với turbine nước có một cổng
nước đơn cho đặc tính là đường cong 3.

16.4.4 Đặc tính điều chỉnh tổng hợp của hệ thống điện
Trong việc phân tích điều khiển
tần số tải, chúng ta chỉ quan tâm sự làm
+
+
1
việc của các tổ máy làm việc song song.
+
...
TeqS + D
Sự trao đổi qua lại giữa các tổ máy và
hệ thống truyền tải đã không được khảo

sát. Chúng ta giả thiết cung cấp cho tải
hệ thống là một tổ máy tương đương. Tổ
Hình 16.17 Hệ thống tương đương để
máy tương đương có hằng số quán tính
khảo sát điều khiển tần số tải
tương đương Teq là tổng các hằng số
quán tính của tất cả các tổ máy và được kéo bằng một turbine tương đương như hình 16.17.
Tương tự, ảnh hưởng của tải được biểu diễn bằng hệ số điều chỉnh tải D. Tốc độ của tổ máy
tương đương tượng trưng tần số hệ thống và trong đơn vị tương đối, chúng bằng nhau.
Đặc tính tổng hợp công suất–tần số của HTĐ phụ thuộc vào độ dốc của tất cả bộ điều chỉnh
tốc độ MF và nó cũng phụ thuộc vào đặc tính tần số của tất cả phụ tải trong hệ thống. Đối với hệ
thống có n MF và hệ số phụ tải tổng hợp D, độ lệch tần số xác lập khi có tải thay đổi một lượng
∆PL là
∆fss =

với

Req =

− ∆PL
− ∆PL
=
(1 / R1 + 1 / R2 + L + 1 / Ra ) + D 1 / Req + D

1
1 / R1 + 1 / R2 + L + 1 / Rn

(16.6)
(16.7)

Như thế đặc tính đáp ứng tần số tổng hợp của hệ thống là
β=

− ∆PL
1
=
+D
∆fss
Req

(16.8)

Đặc tính đáp ứng tần số tổng hợp β được biểu diễn bằng MW/Hz.
Ảnh hưởng của độ dốc bộ điều chỉnh tốc độ và đặc tính tần số phụ tải khi có thay đổi được
minh họa trên hình 16.18, khảo sát tất cả các MF và tải hệ thống. Một sự gia tăng công suất tải hệ
thống ∆PL (ở tần số định mức) làm tăng công suất phát ra ∆PG do bộ điều chỉnh tốc độ tác động
và làm giảm một lượng tải ∆PD do đặc tính tần số của taûi.


420
1
R

f0

G

=

1

R

1
∆P = ∆P = −  − D∆f
L
G
R

− ∆PL
∆f =
1/ R+D

=D

Hình 16.18 Đặc tính tải và bộ điều tốc

Để làm rõ vấn đề điều chỉnh tần số, ta xét một trường hợp đơn giản: hệ thống gồm một MF,
đặc tính tần số của bộ điều tốc động cơ sơ cấp của MF này như đặc tính 1 (H.16.19). Khi tần số
thay đổi, công suất tác dụng của MF sẽ thay đổi theo đặc tính đã cho.
Các bộ điều tốc được thiết kế điều chỉnh turbine bằng cách tạo cho nó đặc tính công suất ra
giảm tốc độ trục tăng cao hơn giá trị định mức. Đặc tính phụ thuộc công suất ra của turbine được
điều khiển bằng dòng nhiên liệu cấp cho động cơ sơ cấp, dòng này được ấn định bằng cách thay
đổi vị trí các van điều khiển mà chúng được điều khiển bởi bộ điều tốc.
Đặc tính tần số của phụ tải có xét đến tổn
thất công suất tác dụng trong mạng như đặc tính 2
(H.16.19).
Vẽ chung hai đặc tính này trên cùng đồ thị ta
có được điểm cắt nhau của chúng, điểm này xác
định tần số thực tế fo.
Hình 16.19 trình bày đặc tính lý tưởng của

bộ điều tốc MF của hệ thống Pmo và phụ tải tổng
của hộ tiêu thụ và tổn thất trong mạng Peo nếu phụ
tải tổng tăng lên (Pe) thì khi không có bộ điều tốc,
nghóa là khi công suất MF không đổi, điểm a sẽ là
điểm cắt nhau của các đặc tính MF và phụ tải, tần
số sẽ giảm xuống giá trị f1.

P

Pe
b

c

a

2

Peo
Pmo
Pm
1

f1

f2 f0

f

Hình 16.19 Xác định tần số và sự

thay đổi tần số

Khi có bộ điều tốc, điểm cắt nhau sẽ là điểm
b và tần số chỉ giảm xuống giá trị f2. Cuối cùng,
khi có máy điều chỉnh tần số, đặc tính của bộ điều tốc sẽ dịch chuyển sao cho điểm cắt nhau của
đặc tính MF và phụ tải mới sẽ ở điểm c, nghóa là tần số vẫn còn là fo. Đồ thị trên minh họa vai trò
của máy điều chỉnh sơ cấp (tốc độ) và máy điều chỉnh thứ cấp (tần số).
Nếu như ĐC sơ cấp đã tải đầy thì công suất của ĐC sơ cấp không thể tăng lên nữa và tần số
trong hệ thống thay đổi chỉ xác định theo độ dốc của đặc tính phụ tải.
Khi không có bộ điều tốc, lượng thay đổi tần số khi phụ tải tổng thay đổi chỉ tương ứng với
độ dịch chuyển đặc tính tónh của tần số của phụ tải tổng (nếu như lấy trung bình tần số thay đổi 1%
tương ứng với độ dịch chuyển của đặc tính phụ tải tác dụng bằng 1 - 1,5%, thì khi phụ tải thay đổi
10% tần số có thể thay đổi từ 6 - 10% với giả thiết là đặc tính của phụ tải tổng dịch chuyển song
song nhau.


421

16.5 MÔ HÌNH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ HỆ THỐNG
16.5.1 Mô hình tổng quát
Đáp ứng tần số của HTĐ có thể được tính toán bằng cách mô hình hóa sự điều khiển tốc độ
của toàn hệ thống khi nó đáp ứng lại sự thay đổi của tải (giả thiết công suất biểu kiến cơ bản của hệ
thống là tổng công suất của tất cả các MF).
Khảo sát hệ thống gồm các tổ turbine hơi. Mô hình hệ thống tương tự như mô hình MF riêng
lẻ, ngoại trừ công suất là công suất của hệ thống được giới thiệu ở hình 16.20. Giả thiết mỗi MF
có một bộ điều tốc và một turbine phát ra công suất cơ Pm. Trong điều kiện ổn định bình thường,
công suất cơ cân bằng với công suất điện Pe ở đầu ra của MF. Sự không cân bằng giữa công suất
cơ và công suất điện tạo ra công suất thừa làm trục MF quay nhanh hơn, vì vậy làm tần số hệ
thống tăng ∆ω , như thế nếu các tổ MF đều là turbine hơi, chúng ta có thể mô phỏng toàn thể hệ
thống bằng mô hình đơn giản bằng cách liên kết tất cả các tổ MF có cùng một thanh cái.

Ta khảo sát từng khối của hệ thống được trình bày ở hình 16.20 và tìm một phương pháp để
đơn giản hóa sự biểu diễn hệ thống mà không mất đi đặc tính động cần thiết. Mô hình toán học
đơn giản chỉ mô phỏng gần đúng hệ thống mà không thể biểu diễn chính xác hoạt động của một vị
trí bất kỳ trong khu vực. Tuy nhiên, mô hình thích hợp dùng để đánh giá tần số trung bình của toàn
hệ thống.
Pe
Nồi hơi

PChuẩn

Tuabin
Turbine

+
Pm

Σ

1
2Hs
D

∆ω

Máy phát
Mạng điện

Governor
Tốc độ chuẩn

Hình 16.20 Sơ đồ khối của mô hình đáp ứng tần số hệ thống

Bắt đầu từ mô hình đơn giản (H.16.8)
Pe
≠
và được vẽ lại ở hình 16.21, tính độ lệch tốc
1
Pa
∆ω
Pm +
S
độ như là một hàm số của công suất chênh
2Hs
≠
lệch. Trong sơ đồ thay thế bằng hằng số quán
tính (2.H = TM), H trong phương trình này khá
D
lớn, giá trị tiêu biểu là từ 3 đến 5s. Khi được
Hình 16.21 Sơ đồ mô tả phương trình dao
nhân với 2, nó là một thông số rất quan trọng,
động của turbine - máy phát
đóng vai trò chủ yếu trong đáp ứng tần số.
Hằng số điều chỉnh phụ tải D là một biểu
diễn tính hãm trong turbine hơi và MF khi tốc độ thay đổi cũng như đặc tính phụ thuộc tần số của
tải hệ thống.
Giả định rằng turbine là dạng hồi nhiệt đơn, mô hình tiêu biểu của dạng turbine hơi có hồi
nhiệt được cho ở hình 16.22. Có một thông số thời gian ảnh hưởng mạnh trong mô hình, đó là hằng
số thời gian hồi nhiệt TR. Giá trị tiêu biểu của nó từ 7 đến 11s. Một phần của tổng công suất cơ

422

được tạo ra từ turbine áp suất cao (FH), khoảng 20% đến 30% và phần còn lại được tạo ra từ
turbine áp suất trung bình (FI) và áp suất thấp (FL).
Hằng số Km: hằng số độ lợi toàn bộ. Đầu tiên chúng ta đặt giá trị của Km gần bằng đơn vị,
sau đó sẽ sửa đổi để tính toán đúng theo hệ số công suất tải và sự phân bố công suất các MF trong
khu vực. Đầu vào của mô hình turbine là công suất yêu cầu của bộ điều tốc PGV, xác định vị trí của
van điều tốc, được điều chỉnh bởi bộ điều tốc.
Van điều khiển

Vị trí van

Hồi nhiệt

Lò hơi

HP

IP

LP

LP

(a)

bình ngưng
+

+

Σ

PGV

1
1 + sTCH

Km

Σ

Pm

+

+
FH

turbine
Trục tuabin

FI

1
1 + sTR

FL

1

1 + sTCO

(b)

Hình 16.22 Biểu đồ khối của turbine hơi có hồi nhiệt
a) Cấu trúc turbine hồi nhiệt đặc trưng; b) Mô hình toán học của turbine hơi

Có nhiều kiểu mô hình của bộ điều tốc. Mô hình được cho ở hình 16.23 là mô hình tiêu biểu.
Hằng số thời gian trong mô hình bộ điều tốc rất nhỏ so với hằng hồi nhiệt và có thể bỏ qua có
nghóa là bộ điều tốc sẽ tác động rất nhanh so với sự thay đổi của tốc độ (tần số). Ta bỏ qua sự
không tuyến tính và xem hoạt động của bộ điều tốc là tuyến tính.
Hằng số độ dốc điều tốc hay độ dốc đặc tuyến điều chỉnh của bộ điều tốc R được cho trên
nhánh hồi tiếp ở hình 16.23 là một hằng số độ lợi quan trọng và phải được giữ lại trên mô hình.
P0
PSP

+

Σ

1 + T1s
1 + T2 s

+

+
Σ

1
T3

1
s
Vđóng

1
R

Pmax

V mở

Pmin = 0

∆ω

Hình 16.23 Sơ đồ khối của bộ điều tốc tiêu biểu

PGV


423

16.5.2 Mô hình giản lược SFR
Sau khi đơn giản mô hình, ta nhận được mô hình đáp ứng tần số hệ thống giản lược như hình
16.24.

P

c

P

SP

P

+

Σ

GV

+

F

K

Σ

H

P
m
+
m

P

0

Σ

+
1

F

1

∆ ω

2H s

D

H

1 + Tps
1
R

Hình 16.24 Mô hình SFR

Các thông số trong mô hình được tính trong đơn vị tương đối với công suất MVA cơ bản là
tổng công suất của tất cả các MF trong khu vực.
Có sáu hằng số trong mô hình SFR:
Km: hệ số độ lợi;
H : hằng số quán tính;

FH : thừa số công suất áp suất cao;

D : hệ số điều chỉnh phụ tải
TR : hằng số thời gian hồi nhiệt
R : độ dốc điều tốc

Các hằng số có ảnh hưởng mạnh trong mô hình là hằng số thời gian hồi nhiệt TR và hằng số
quán tính H. Độ dốc điều tốc R và thừa số công suất áp suất cao FH là thông số quan trọng trong
hoạt động của hệ thống.
Các ký hiệu khác trong hình 16.24 là
PSP: điểm đặt công suất chuẩn (đvtđ);
Pe : công suất tải điện của MF (đvtđ);

Pm : công suất cơ của turbine (đvtđ)
∆ω : tốc độ tăng thêm (đvtđ)

Pa : công suất thừa (đvtđ), Pa = Pm – Pe;

Km : hệ số độ lợi công suất cơ.

Từ mô hình mạng vòng kín (H.16.24), ta thành lập hàm số truyền để tính độ lệch tần số như sau
 Rω2n
∆ω = 
 DR + K M
2

ωn =

 K m (1 + FH TR s) PSP − (1 + TR s) Pe 





s2 + 2ςωn s + ω2n



DR + K m
: hệ số tần số tự nhieân
2 HRTR

 2 HR + ( DR + K m FH )TR 
ωn : hệ số hãm
ς = 
2( DR + K m )



(16.9)
(16.10)
(16.11)

Mô hình SFR là tuyến tính, vì vậy các biến số có thể tính ở giá trị là tần số hoặc là độ lệch tần
số. Vì tần số thay đổi nhỏ quanh tần số giá trị định mức nên khảo sát độ lệch tần số phù hợp hơn.
Hệ thống có hai tín hiệu đầu vào là công suất đặt của bộ điều tốc và công suất tải hệ thống
hay công suất điện phát ra. Công suất đặt của bộ điều tốc được điều chỉnh bởi tín hiệu từ trung tâm
điều khiển năng lượng, công suất phát của mỗi máy được phát theo lịch để thỏa mãn công suất tải


424

yêu cầu một cách hiệu quả. Hệ thống được khảo sát trong thời gian vài giây nên điểm đặt công suất
chuẩn có thể xem là hằng số (hay gia số của nó là 0). Vì vậy, chúng ta có thể sắp xếp lại mô hình hệ
thống chỉ còn một tín hiệu đầu vào là công suất điện gia tăng. Ta gọi công suất đầu vào này là công
suất mất cân bằng Pd. Vì phần lớn trường hợp khảo sát, công suất tải lớn hơn so với lượng phát nên ta
chọn công suất Pd có dấu ngược với công suất điện của MF
Pd = –Pe

(16.12)

Dấu âm của Pd tương ứng với sự tăng tải, khi khu vực có sự gia tăng tải theo từng bước thì Pd
sẽ tăng từng bước theo dấu âm.
Khi xem Psp bằng 0, bằng cách biến đổi mô hình trong hình 16.24 thành mô hình SFR như ở
hình 16.25, với công suất không cân bằng là tín hiệu vào và độ lệch tốc độ hay tần số là tín hiệu ra.
Pd

+

Σ

Pe

+

1

Σ

∆ω

2Hs

D

Pm
K m(1 + F HT Rs)
R(1 + T Rs)

Hình 16.25 Mô hình SFR giản lược với tín hiệu
vào là công suất không cân bằng

Thay Psp = 0 vào phương trình (16.9) ta có độ lệch tần số (đvtđ) tính với bất kỳ công suất
không cân bằng Pd naøo
 Rω2n 

(1 + TR s) Pd


∆ω = 
 (s2 + 2ςω s + ω2 ) 
DR
+
K
m
n
n




(16.13)

Khi mất cân bằng đột ngột xảy ra lớn hay nhỏ, công suất không cân bằng được biểu diễn
bằng hàm số nấc
Pd(t) = P∆u(t)

(16.14)

với P∆(t) là lượng công suất không cân bằng tính trong đvtđ; u(t) là hàm số nấc.
Viết theo hàm biến đổi Laplace
Pd(s) =

P∆
s

(16.15)

Thay vào (16.13) ta được
 Rω2n 

(1 + TR s) P∆


∆ω = 
2
2 


DR
+

K
s
(
s
+
2
ςω
s
+
ω
)
m 
n
n 


(16.16)

Giải phương trình này theo thời gian, ta được kết quả

∆ω(t) =

RP∆
1 + a.e − ς.ωt sin(ω r t + φ)
DR + K m

[

]

(16.17)


425

với

a

=

1 − 2TR ςωn + TR2 ω2n
1 − ς2

(16.18)

ωr = ωn 1 − ς 2

(16.19)

Φ

(16.20)

= Φ1 − Φ 2

 ω r TR
Φ 1 = tan − 1 
 1 − ςωn TR
 1 − ς2

Φ 2 = tan −1 
 −ς






(16.21)






(16.22)

16.5.3 Mô hình tổ máy phát tương đương
Các phương trình được đưa ra ở trên đặc trưng cho các tổ máy turbine hồi nhiệt tính trong
đơn vị tương đối theo cơ bản của từng tổ máy. Chúng ta kết hợp tất cả các MF thành một MF lớn
đặc trưng cho tất cả MF của toàn thể hệ thống, với công suất cơ bản là công suất của hệ thống.
(16.23)
∑ (2 Hi s + D).∆ω = ∑ Pmi − ∑ Pei
i

∑
i

i

PGVi =

∑
i

PSPi −

i

 1 
.∆ω

 i

∑  R
i

(16.24)

(1 + TR s ) ∑ Pmi = K m (1 + F H TR s ) ∑ PGVi
i

(16.25)

i

Công suất cơ bản của hệ thống được tính theo công suất riêng từng tổ máy
SSB =

n

(16.26)

∑ SBi

i =1

Thay đổi công suất cơ bản để tính cho toàn hệ thống
SB
SSB

∑ 2 Hi .s.∆ω =
i.s

K m (1 + FH TR s)  Scb
.
(1 + TR s)
 ScbHT

Scb

∑ PSPi − S
i

cbHT

 1  
∆ω – Scb ∑ Pei (16.27)
 i   ScbHT i

∑  R
i

Ta xác định được các thông số tổ MF tương đương
Scb
ScbHT

∑ Hi

(16.28)

Scb
1
=
R ScbHT

∑R

1

(16.29)

H =

i

i

i

16.5.4 Độ dốc của đáp ứng tần số
Từ công thức (16.17) ta dễ dàng tính được độ dốc của đáp öùng
aω n RP∆ − ςωnt
d∆ω
e
sin(ω r t + φ1 )
=
DR + K m
dt
• Khi t = 0 tương ứng với tốc độ lớn nhất.
• Thời điểm tại độ dốc là zero tương ứng với độ lệch tần số lớn nhất.

(16.30)


426

T = 0, ta coù

aR ωn P∆
P
dω
=
sin φ1 = ∆
dt t = 0
DR + K m
2H

(16.31)

dω
aRωn P∆ − ςωnt
= 0, ta coù 0 =
e
sin(ωr t + φ1 )
dt
DR + K m
Điều kiện (16.31) thỏa mãn khi ωr t + Φ 1 = nπ , với n = 0,1,2,3...
Nếu gọi thời gian này là tz, ta tính được
tz =

 ω r TR 
nπ − Φ1
1

tan −1 
=
ωr
ωr
ςω
T
−
1
 n R


(16.32)

Các thông số độ dốc được quan sát dễ dàng trên hình 16.26. Độ dốc ban đầu của sự suy
giảm tần số chỉ phụ thuộc vào P∆ và H, vì vậy khi P∆ thay đổi thì nó cũng thay đổi. Tuy nhiên, tz

không phải là hàm của P∆ vì vậy độ lệch tần số lớn nhất xảy ra tại cùng thời điểm cho tất cả các
trường hợp.

16.6 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ LỆCH TẦN SỐ
16.6.1 Ảnh hưởng của thiếu hụt công suất P∆
Cho một hệ thống với các thông số đặc trưng sau
R = 0,05; H = 4,0s; Km = 0,95; FH = 0,3; TR = 8,0s; D = 1,0
Công suất không cân bằng thay đổi từ –0,1 dến –0,5 đơn vị, số gia là –0,1
Chúng ta tính được
ωn = 0,559; ςωn

= 0,481;

Φ 1 = 141,396o

ς = 0,861; ωr

= 0,284;

Φ 2 = 149,416o

1 − ς 2 = 0,509;

Φ 3 = –8,020o

a = 7,168;

Cho giá trị của P∆ thay đổi từ –0,1 đến –0,5; kết quả tính được vẽ trên hình 16.26.
∆ f[Hz] 0,0
0,4

1

0,8
1,2

2

1,6
3

2,0
2,4

4

H = 4,0
D = 1,0
FH = 0,3

2,8
3,2

5
0

2

4

6

8

R = 0,05
TR = 8,0
Km= 0,95
10

12

PD1 = 0,1

1
2
3
4
5
14

PD2 =
PD3 =
PD4 =
PD5 =

16

0,2
0,3
0,4

0,5

18

20 t[s]

Hình 16.26 Đáp ứng tần số theo thời gian của hệ thống khi thiếu hụt công suất


427

16.6.2 Ảnh hưởng của độ dốc điều tốc R
Để đánh giá ảnh hưởng của độ dốc điều tốc R, tính độ lệch tần số khi R thay đổi từ 0,05 đến
0,1 mỗi bước 0,01 đvtđ, kết quả cho ở hình 16.27.
∆f[Hz]

0,0
D = 1,0
H = 4,0

Pd = 0,2
K m= 0,95

0,6

FH = 0,3
TR = 8,0

0,8
1

1,2

1
2
3
4
5
6

2
3
4
5
6

1,6
2,0
0

2

4

6

8

10

12

14

R = 0,05
R = 0,06
R = 0,07
R = 0,08
R = 0,09
R = 0,10
16

18

20 t[s]

Hình 16.27 Đáp ứng tần số theo sự thay đổi của R

Giá trị R hoàn toàn không ảnh hưởng đến tốc độ ban đầu của sự suy giảm tần số. Đối với
các hệ thống khác nhau, giá trị R nằm trong khoảng 0,05 tới 0,1.
Hình 16.28 biểu diễn độ lệch lớn nhất của tần số khi R có giá trị lớn nhất và nhỏ nhất. Ở đây
P∆ là độ lớn theo từng bước của công suất mất cân bằng (H = 4,0s; TR = 8,0s; FH = 0,3).
∆ f max 5,0
[Hz]

4,0
3,0
R = 0,10

2,0

R = 0,05

1,0
0

0

0,1

0,2

0,3

0,4 P∆ [đvtđ]

Hình 16.28 Độ lệch tần số lớn nhất theo công suất thiếu hụt
Ví dụ 16.1: HTĐ có tổng phụ tải là 1580MW. Hệ số điều chỉnh phụ tải là D = 2. Tìm độ lệch

tần số khi đột ngột cắt 80MW công suất tải trong hai trường hợp:
a) Không có điều chỉnh tốc độ.
b) Hệ thống có 220MW công suất dự trữ quay.
Cho biết độ phụ thuộc điều chỉnh 5%. Tất cả MF làm việc với van mở. Giả thiết bộ
Governor chỉ đáp ứng được 80% theo tải.


428

Giải: a) Sự thay đổi của tải

∆P% =

80
.100 = 5,063 (%)
1580

Độ tăng tần số

∆f % =

5,063
= 2,532 (%)
2

∆f

2.532
.50 = 1,266 (Hz)
100

=

b) Khả năng nguồn phát quay tổng: Tải + dự trữ = 1580 + 220 = 1800 (MW)
Nguồn tham gia điều chỉnh: 0,8 × 1800 = 1440 (MW)
Độ phụ thuộc điều tốc 5% nghóa là tần số thay đổi 5% làm thay đổi nguồn phát thay đổi
1 1440,00
100%, do đó
=
= 576 (MW/Hz)
R

5.50
Đặc tính đáp ứng tần số hệ thống β = 1 / R + D = 576 +
Tần số tăng ∆f =

2.1500
= 613,5 (MW/Hz)
80

∆PL
= 0,13 (Hz)
β

Ví dụ 16.2: HTĐ gồm sáu tổ máy, trong đó ba tổ máy có PFđm = 150MW, độ dốc điều tốc R = 0,06;

ba tổ máy còn lại có PFđm = 200MW; R = 0,07. Phụ tải có công suất 800MW và D = 1,5. Tính điều
chỉnh sơ cấp khi phụ tải tăng thêm 85MW, sao cho tần số không vượt quá ± 0,2Hz so với tần số
định mức.

Giải: Độ dự trữ công suất

Tính KFht

K dt =

Pht
(3.150 + 3.200) = 1,3125
=
800
Ppt

K Fht =

(3.150 / 0,06 + 3.200 / 0.07)
= 15,3061
1050

Khi phụ tải tăng thêm thì tần số giảm một lượng
∆f =

∆P. fđm
∆P. fđm
85.50
=
=
= 0,246
Ppt (K dt .K Fht + D ) Ppt .K ht
800.(1,3125.15,3061 + 1,5)

Ta thấy độ lệch tần số vượt quá giá trị cho phép, khắc phục bằng cách giảm R của tổ máy
,
nhóm 2, R2 = 0,04.
K Fht =

(3.150 / 0,06 + 3.200 / 0,04)
= 21,4286
1050

∆f

85.50

= 0,1793 (Hz)
800.(1,3125.21,4286 + 1,5)

=

Vaäy khi ta giảm giá trị R của tổ máy nhóm 2 thì giá trị của độ lệch tần số thỏa điều kiện bài toán.

16.6.3 Ảnh hưởng của hằng số quán tính H
Hằng số quán tính H được định nghóa như sau

(Hz)


429

H =
H=

trong đó: H
J
n
Sđm

Năng lượng tích trữ (ở tốc độ định mức MW .s)
Sđm ( MVA)
J2
1 Jω20 .10 −6
= 5.48.10 − 9 n
2
Sđm

Sđm

(16.33)

- hằng số quán tính của tổ MF (MW.s/MVA)
- mômen quán tính của turbine MF (kg.m2)
- vận tốc quay của turbine MF (vòng/phút)
- công suất định mức của MF (MVA).

Nếu MF làm việc với công suất nhỏ hơn công suất định mức thì hằng số quán tính H là
Plv
.H o
Pđm

H =

(16.34)

Ho - hằng số quán tính định mức
Plv - công suất làm việc của tổ MF
Pđm - công suất định mức của tổ MF.
Một hệ thống có m MF làm việc, hằng số quán tính của hệ thống là
m

H=

∑ Hi Pi
i

(16.35)

∑ Pđm

Hi - hằng số quán tính của MF thứ i
Pi - công suất định mức của MF thứ i
∑ Pđm - công suất định mức tổng cộng của các MF đang hoạt động.
Trong tính toán quá độ hằng số quán tính của MF được lấy theo tài liệu của nhà chế tạo. Các MF
khác nhau sẽ có giá trị hằng số quán tính khác nhau. Ảnh hưởng của quán tính được khảo sát thông qua
các giá trị tiêu biểu của tất cả thông số và sự thay đổi của H, kết quả vẽ ở hình 16.29, giá trị H ảnh
hưởng trực tiếp đến độ dốc ban đầu của đường cong độ lệch. Giá trị H tác động đến tất cả giới hạn của
đáp ứng tần số, gồm ωn , ς .
∆f[Hz]

0,0
Pd = 0,2
Km= 0,95

D = 1,0
R = 0,05

FH = 0,3
TR = 8,0

0,4
0,6
0,8

H = 3,0
H = 3,5
H = 4,0

H = 4,5
H = 5,0

1,0
1,2
1,4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Hình 16.29 Đáp ứng tần số khi H thay đổi

9

10 t[s]

430

Ảnh hưởng rõ nhất của giá trị H là giảm độ dốc ban đầu của sự suy giảm tần số, làm trễ và
giảm độ lệch tần số lớn nhất. Tuy nhiên, H không ảnh hưởng đến giá trị ổn định cuối cùng của tần
số. Họ đường cong của đáp ứng quán tính chồng lên nhau, đặc điểm này không xuất hiện ở những
họ đường cong đáp ứng khác. Với các giá trị H cao hơn đưa đến độ giảm tần số ít hơn và do đó
khôi phục tần số chậm hơn vì đáp ứng chậm đối với hệ thống có H lớn nên khi đó bộ điều tốc sẽ
có đủ thời gian điều chỉnh độ lệch tần số lớn nhất về giá trị nhỏ hơn.

16.6.4 Ảnh hưởng của hằng số thời gian hồi nhiệt TR
Hằng số thời gian hồi nhiệt là một thông số hệ thống quan trọng. Thường hơn 70% công suất đầu
ra turbine bị làm trễ do hằng số thời gian hồi nhiệt và sự thay đổi thời gian trễ sẽ làm ảnh hưởng đặc
tính tần số. Hình 16.30 cho thấy sự phụ thuộc của độ lệch tần số vào TR của một tổ MF lớn. TR ảnh
hưởng đến tỷ lệ hãm ζ và tần số tự nhiên không hãm ωn, nhưng không ảnh hưởng đến độ dốc ban đầu
và độ lệch sau cùng.
∆f [Hz] 0,0
Pd = -2

-0,2

D = 1,0 R = 0,05

FH = 0,5 H = 4,0 Km = 0,95

-0,4
-0,6
TR = 1

-0,8

TR = 2
TR = 3
TR = 4
TR = 5
TR = 6

-1,0
-1,2
-1,4

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

t [s]

Hình 16.30 Đáp ứng tần số theo sự thay đổi của TR

Ảnh hưởng của hằng số thời gian hồi nhiệt là tạo ra thời gian trễ của đáp ứng tần số theo độ
dốc ban đầu của nó. Sự trễ này làm tăng độ lệch tần số lớn nhất và làm trễ giá trị đỉnh lớn nhất
này tỷ lệ với độ lớn của thời gian trễ do hồi nhiệt. Điều này có nghóa là hằng số thời gian hồi nhiệt
không ảnh hưởng đến giá trị đặt của rơle tần số thấp mà được chỉnh định theo độ giảm ban đầu
của tần số, nhưng thông số này sẽ ảnh hưởng đến đáp ứng và tổng thời gian bị rơi vào tình trạng
tần số giảm.

16.6.5 Ảnh hưởng của phân số ứng suất cao FH
Hằng số FH xác định tỷ lệ công suất trên trục tạo ra bởi turbine áp suất cao trên một hệ
thống hồi nhiệt đơn. Nó là một hệ số của công suất trục không bị làm trễ bởi sự hồi nhiệt
(H.16.31) cho thấy ảnh hưởng của sự thay đổi riêng FH với các thông số khác ở giá trị danh định.


431
∆f[Hz]

0,0
0,2

D = 1,0
H = 4,0

Pd = 0,2
K m= 0,95

0,4
0,6

1
2
3

0,8
1,0

1
2
3
4
5
6

4

1,2

5

1,4

R = 0,05
TR = 8,0

FH
FH
FH
FH
FH
FH

= 0,05
= 0,06
= 0,07
= 0,08
= 0,09
= 0,10

6

1,6
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 t[s]

Hình 16.31 Đáp ứng tần số theo sự thay đổi của FH

Giá trị lớn nhất của FH có ảnh hưởng rõ rệt đến ξ và có thể làm tần số hệ thống bị hãm (ξ >
1). Khi điều này xảy đáp ứng tần số không cho bởi (16.17) mà là một tổ hợp của số mũ. Phương
trình đáp ứng tần số theo điều kiện này được suy từ (16.16) bằng cách phân tích thành thừa số
phương trình bậc 2:
T1T2 Rω2n P∆
DR + K m

∆ω (s) =

Khi đó



1 + TR s


 s(1 + T1 s)(1 + T2 s) 

(16.36)

s(1 + T1s)(1 + T2s)

∆ω(t) =

T1T2 Rω2n P∆
DR + K m


T − TR −1 / T1 T2 − TR −1 / T 2 
 1 + 1
 u(t)
e
e
−
T2 − T1
T2 − T1



(16.37)

16.6.6 Ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh phụ tải D
Một phương pháp để làm rõ sự phụ thuộc của công suất tải vào tần số của hệ thống là mô
hình hóa tải khi có một thành phần hằng số và một thành phần phụ thuộc tần số
PL = PLO (1 + kf∆ω) (16.38)
Ảnh hưởng này đã tính đến trong mô hình, qua hằng số hiệu chỉnh phụ tải D, theo (16.3)
chúng ta viết
∆P = D.∆ω

(16.39)

Từ biểu thức tính ω, ς ta thấy rằng, tần số tự nhiên và hệ số giảm hệ thống là hàm của D,
nhưng sự phụ thuộc này luôn xuất hiện theo tích số DR. Vì R là nhỏ, thường khoảng 0,05 đvtđ, do
đó DR luôn nhỏ và ảnh hưởng của D sẽ giảm bớt. Chúng ta có thể minh họa ảnh hưởng của D lên
đáp ứng tần số bằng đồ thị (H.16.32).
Có sự tương tự giữa hình 16.27 biểu diễn độ lệch theo thông số R và hình 16.32 biểu diễn độ
lệch theo thông số D. Ảnh hưởng của sự thay đổi hai thông số này là như nhau nhưng R có vai trò
quan trọng hơn D. Chúng ta kết luận rằng, mặc dù tải có một thành phần phụ thuộc tần số nhưng
nó có ảnh hưởng không lớn bằng độ dốc phụ thuộc của bộ điều tốc đến đáp ứng tấn số. Điều đó
cho thấy sự quan trọng của việc giữ độ dốc phụ thuộc của bộ điều tốc phù hợp.


432
∆ f[Hz] 0,0
0,2

Pd = 0,2 R = 0,05
Km = 0,95 H = 4,0

0,4

FH = 0,3
TR = 8,0

0,6
0,8

D = 2,0

D = 1,5
D = 1,0
D = 0,5
D = 0,0

1,0
1,2
1,4
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 t[s]

Hình 16.32 Đáp ứng tần số theo sự thay đổi của D

16.7 MÔ HÌNH CẢI TIẾN
Có thể phân tích sự làm việc của hệ thống bằng cách sử dụng mô hình SFR. Dữ liệu mất cân
bằng thật sự trong hệ thống có thể xác định các thông số. Sự ghi nhận các nhiễu loạn trong hệ
thống là cần thiết vì một vài thông số hệ thống hầu như không thể xác định chính xác do không
biết điều kiện vận hành. Sự điều chỉnh hay độ dốc R phụ thuộc vào sự điều chỉnh độ dốc của
turbine và ảnh hưởng của khối van điều tốc. Tuy nhiên, ảnh hưởng này hoàn toàn có thể thấy bằng
cách ghi chép tần số khi có sự nhiễu loạn thật sự xảy ra, bằng cách quan sát sai số tần số xác lập.
Độ lệch tần số xác lập này có thể tính được bằng công thức
f=

50 RP∆
DR + km

(16.40)

Chúng ta có thể bắt đầu tính toán bằng cách phỏng đoán D bởi vì thông số này không có
khác biệt đáng kể. Giá trị của km thường được biết, ít nhất một cách gần đúng, từ hệ thống điều
khiển trung tâm, hay nó có thể đánh giá dựa trên sự hoạt động và dự trữ quay của khu vực sử dụng
điện. Do đó, chỉ cần xác định được R và P∆. Nếu độ lớn sự mất cân bằng được biết, khi đó R có thể
được tính từ (16.40). Như đã nói, R thường có giá trị khoảng 0,05.

16.7.1 Công suất cơ
Công suất cơ học trong mô hình trước không xét đến phần công suất nhỏ làm “dự trữ quay” để
cung cấp một năng lượng phát dự trữ cho một tình trạng khẩn cấp. Điều này có nghóa là không phải tất
cả khả năng định mức hệ thống được lên lịch mà chỉ có một phần để đáp ứng các biến cố xảy ra.
Chúng ta có thể xác định công suất cơ của tất cả các turbine đưa vào hoạt theo công thức sau
P (MW )
1

km = mo
=
(16.41)
∑ SBi FPi (1 − fSR ) = FP(1 – fSR)
SSB
SSB
trong đó: SBi - công suất định mức tổ máy I, SBi = MVA
SSB - công suất biểu kiến hệ thống
FBi - hệ số công suất của MF i = FP
FSR - tỷ lệ SSB dùng để dự trữ quay.


433

Mô hình của công suất cơ này tính đến dự trữ quay của hệ thống. Điều này có nghóa là
không phải tất cả năng lượng phát của hệ thống được sẵn sàng để dùng lập tức, vì thông số chuẩn
của bộ điều tốc được đặt để sử dụng chỉ một phần công suất định mức. Phần công suất được dùng
để dự trữ quay dùng ở đây chính là giá trị trung bình cho toàn thể hệ thống.
Công thức (16.41) dùng để xác định thông số Km sử dụng trong phương trình mô tả hệ thống.
Giả sử các MF hoạt động với cùng hệ số công suất.

16.7.2 Công suất điện
Mô hình của công suất điện trong mô hình đáp ứng tần số có thể bị giới hạn do MF không có
đủ công suất để phát một lượng công suất bằng với lượng công suất không cân bằng ban đầu. Xét
,
một mô hình MF đơn giản với sức điện động EG nối tiếp điện kháng quá độ X d , một máy biến áp
tăng thế tạo thành tổng trở tương đương giữa MF và đường dây tới tải như hình 16.33.
IL

x’d

VT

LL

xt

xe

EG

ZL
X

Hình 16.33 Tương đương của hệ thống khi mất cân bằng công suất

Chúng ta có thể vẽ giản đồ vectơ pha của điện
thế hệ thống trước và sau khi mất cân bằng như
(H.16.34). Hệ số công suất của dòng điện tải được giả
định là không đổi khi xảy ra sự xáo trộn, gốc θ là hằng
số. Do độ kích từ đủ nhanh nên điện thế bên trong MF
EG không đổi và tạo thành một vòng cung bán kính
không đổi với tâm ở gốc.
Từ giản đồ pha chúng ta có thể viết phương trình
điện thế sau
VL = EG cosδ – X I sinθ

(16.43)

Từ đó tính điện thế của tải

và công suất tải

Ec
XI0

δ1
δ0
θ

VL

VL

1

0

I0

(16.42)

X I cosθ = EG sinδ

XI1

Ec

I1

Hình 16.34 Biểu đồ pha trước và

sau khi xảy ra sự mất ổn định

VL = EG cosδ – EG sinδ tanθ

(16.44)

PL = VL I cosθ

(16.45)

 E sin δ 
PL = (EG.cosδ – EG.sinδ.tanθ)  G
 cosθ
 X cos θ 