Điều khiển điện áp trong hệ thống điện: Bài giảng của TS. Nguyễn Đức Huy

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Mục đích điều chỉnh điện áp Mục đích điều chỉnh điện áp

 Điện áp tại các nút máy phát và phụ tải được duy trì trong phạm vi lâu

dài cho phép

 Duy trì ổn định điện áp

 Giảm thiểu trào lưu công suất phản kháng (giảm tổn thất RI2 và XI2)

1 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Mục đích điều chỉnh điện áp Mục đích điều chỉnh điện áp

 Tổn hao CSPK theo mức mang tải của đường dây truyền tải

2 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Các phương tiện phát và tiêu thụ CSPK Các phương tiện phát và tiêu thụ CSPK

 Máy phát điện

 Đầu phân áp các máy biến áp

 Tụ bù và kháng bù ngang

 Tụ bù dọc

 Các thiết bị FACTS

3 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Máy phát điện Máy phát điện

 Sơ đồ véc tơ điều khiển điện áp máy phát

4 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Vai trò của hệ thống điều chỉnh kích từ Vai trò của hệ thống điều chỉnh kích từ

 Giúp điều khiển ổn định điện áp (đầu cực máy phát điện, điện áp

thanh cái cao áp …)

 Nâng cao ổn định cho hệ thống điện

5 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Sơ đồ cấu trúc điều khiển máy phát điện Sơ đồ cấu trúc điều khiển máy phát điện

6 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh kích từ Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh kích từ

7 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh kích từ Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh kích từ

 Máy phát kích từ: Cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của

máy phát chính

 Bộ phận điều chỉnh: Điều chỉnh dòng điện/điện áp cấp cho cuộn kích từ

 Bộ phận đo lường và bù dòng tải: Đo lường giá trị điện áp (đầu cực máy

phát), so sánh với giá trị đặt. Thực hiện bù theo dòng tải (nếu cần)

 Bộ phận ổn định các dao động công suất (power system stabilizer)

 Các bộ phận bảo vệ: Bảo vệ quá kích thích, thiếu kích thích, v.v.

8 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Hệ thống kích từ sử dụng máy phát một chiều Hệ thống kích từ sử dụng máy phát một chiều

 Máy phát một chiều cấp điện cho cuộn dây kích từ, thông qua hệ

thống chổi than

9 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Hệ thống kích từ sử dụng máy phát xoay chiều Hệ thống kích từ sử dụng máy phát xoay chiều

 Máy phát kích từ xoay chiều. Dòng điện một chiều được tạo ra nhờ

hệ thống chỉnh lưu

10 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Kích từ không chổi than Kích từ không chổi than

 Máy phát kích từ và bộ phận chỉnh lưu quay đồng trục với máy phát

chính

11 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Kích từ tĩnh Kích từ tĩnh

 Điện áp đầu cực máy phát được sử dụng để chỉnh lưu và cấp cho

cuộn dây kích từ

12 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ: Hệ thống kích từ NMTĐ Hòa Bình Ví dụ: Hệ thống kích từ NMTĐ Hòa Bình

13 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Đáp ứng của hệ thống kích từ Đáp ứng của hệ thống kích từ

 Điện áp kích thích cực đại (excitation system ceiling voltage)

 Dòng kích thích cực đại

 Đáp ứng thời gian (mạch kín, mạch hở)

14 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Các chức năng điều khiển/bảo vệ Các chức năng điều khiển/bảo vệ

15 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Các chức năng điều khiển/bảo vệ Các chức năng điều khiển/bảo vệ

 Chức năng điều khiển AC regulator, DC regulator

 Điều khiển ổn định

 Bảo vệ quá kích thích

 Bảo vệ thiếu kích thích

 Hệ thống bù dòng tải

16 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Giới hạn công suất phát của máy phát điện Giới hạn công suất phát của máy phát điện

 Khả năng phát công suất máy phát bị giới hạn bởi các điều kiện

phát nóng dây quấnstator, phát nóng rotor, công suất tuabin, giới

hạn ổn định, phát nóng cực từ …

17 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Giới hạn công suất phát của máy phát điện Giới hạn công suất phát của máy phát điện

 Giới hạn thiếu kích thích do phát nóng cực từ

18 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Giới hạn công suất phát của máy phát điện Giới hạn công suất phát của máy phát điện

 Giới hạn quá kích thích

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Giới hạn công suất phát của máy phát điện Giới hạn công suất phát của máy phát điện

 Giới hạn phát nóng cuộn dây stator

TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Giới hạn công suất phát của máy phát điện Giới hạn công suất phát của máy phát điện

 Ảnh hưởng của điện áp làm việc lên khả năng phát công suất

21 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Giới hạn công suất phát của máy phát điện Giới hạn công suất phát của máy phát điện

 Ảnh hưởng của chế độ làm mát lên khả năng phát công suất

22 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Giới hạn công suất phát của máy phát điện Giới hạn công suất phát của máy phát điện

 Đặc tính V-curve

23 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Bù sụt giảm điện áp Bù sụt giảm điện áp

 Hệ thống kích từ có thể điều chỉnh điện áp tại thanh cái cao áp,

hoặc tại một điểm trong hệ thống, nhờ cơ chế bù sụt giảm điện áp

24 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Bảo vệ thiếu kích thích (UEL) Bảo vệ thiếu kích thích (UEL)

 Ngăn ngừa máy phát làm việc ở tình trạng thiếu kích thích, dẫn đến mất ổn

định, hoặc phát nóng stator

 Sử dụng tín hiệu dòng điện, điện áp hoặc CSPK của máy phát

25 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Bảo vệ thiếu kích thích Bảo vệ thiếu kích thích

 Khi vận hành thiếu kích thích, hoặc với sự cố mất kích thích, máy phát

điện có thể bị mất đồng bộ với hệ thống

26 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Bảo vệ quá kích thích (OEL) Bảo vệ quá kích thích (OEL)

 Ngăn ngừa tình trạng làm việc quá kích thích lâu dài

 Khả năng làm việc quá kích thích thường được quy định bởi tiêu chuẩn ANSI

C50.13

 Khi tác động, bảo vệ OEL sẽ làm giảm cưỡng bức dòng kích từ

27 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Bảo vệ V/Hz Bảo vệ V/Hz

 Ngăn ngừa máy phát điện và máy biến áp tăng áp làm việc ở tình trạng quá kích

thích do điện áp tăng / tần số giảm

 V/Hz limiter: Khống chế điện áp kích từ khi V/Hz vượt quá ngưỡng cho phép

 V/Hz protection: Cắt điện máy phát khi tình trạng quá kích thích kéo dài quá thời

gian cho phép

28 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Thiết bị PSS Thiết bị PSS

 Có chức năng ổn định các dao động công suất (dao động điện)

 Được trang bị bổ sung (kênh phụ) của hệ thống kích từ

 Cần thiết cho các hệ thống kích từ có hệ số khuếch đại lớn, thời gian đáp ứng

nhanh

 Chỉnh định của hệ thống PSS cần dựa trên đặc tính của máy phát và hệ thống

điện.

29 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Các chế độ vận hành của hệ thống kích từ Các chế độ vận hành của hệ thống kích từ

 Duy trì điện áp (AVR)

 Điện áp được duy trì không đổi

 Là chế độ được sử dụng phổ biến

 Chế độ duy trì hệ số công suất

 Điều khiển Q tỉ lệ với P

 Sử dụng với một số tổ máy công suất nhỏ

 Chế độ duy trì công suất phản kháng

 Q của máy phát được duy trì không đổi (Chạy bù)

 Chế độ điều khiển bằng tay (manual excitation)

30 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Mô hình hóa hệ thống kích từ Mô hình hóa hệ thống kích từ

 Hằng số thời gian đáp ứng của máy phát khi không tải: Td0’

 Efd: Điện áp đưa vào cuộn kích từ

 Et: Điện áp đầu cực máy phát

31 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Mô hình máy phát một chiều Mô hình máy phát một chiều

32 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Mô hình máy phát một chiều Mô hình máy phát một chiều

33 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Mô hinh máy phát xoay chiều Mô hinh máy phát xoay chiều

34 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Các bộ khuếch đại, so sánh và bù sụt áp Các bộ khuếch đại, so sánh và bù sụt áp

 Khâu so sánh

 Khâu khuếch đại

 Bù sụt áp

35 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Mô hình bảo vệ thiếu kích thích Mô hình bảo vệ thiếu kích thích

36 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Mô hình bảo vệ quá kích thích Mô hình bảo vệ quá kích thích

37 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

2005) Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5--2005) Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5

 Kích từ sử dụng máy phát một chiều (DC1A)

38 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

2005) Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5--2005) Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5

 Kích từ sử dụng máy phát xoay chiều (AC4A)

39 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

2005) Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5--2005) Một số sơ đồ cơ bản (IEEE Std 421.5

 Kích từ tĩnh (ST1A)

40 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Một số câu hỏi Một số câu hỏi

 Hệ thống kích từ đáp ứng nhanh (hệ số khuếch đại lớn, hằng số thời gian nhỏ) có

ưu điểm gì ?

 Vì sao cần chia tải CSPK cho các máy phát. Việc chia tải CSPK có thể được thực

hiện như thế nào

 Vì sao cần sử dụng thiết bị bảo vệ thiếu kích thích ?

 Khi máy phát bị mất đồng bộ với hệ thống điện, các chức năng bảo vệ nào của

máy phát sẽ khởi động / tác động

 Các phương thức điều khiển của hệ thống kích từ và AVR: Giữ điện áp, giữ hệ số

công suất, giữ CSPK có thể được dùng trong những chế độ làm việc nào?

41 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Điều khiển đầu phân áp MBA Điều khiển đầu phân áp MBA

 Thay đổi tỉ số biến đổi của MBA bằng việc điều chỉnh đầu phân áp

 Việc điều chỉnh đầu phân áp làm thay đổi điện áp các cuộn dây MBA

 Có thể thực hiện điều chỉnh dưới tải (OLTC, ULTC) hoặc điều chỉnh khi không có

tải

42 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Điều khiển đầu phân áp MBA Điều khiển đầu phân áp MBA

 Sơ đồ khối điều khiển đầu phân áp (OLTC)

 Khâu đếm thời gian: OTLC chỉ tác động khi điện áp nằm ngoài phạm vi trong thời

gian đủ lâu

43 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Điều khiển đầu phân áp MBA Điều khiển đầu phân áp MBA

 Duy trì điện áp tại nút phụ tải (MBA hạ áp)

 Góp phần điều chỉnh điện áp nút cao áp của NMĐ (MBA tăng áp)

 Công suất phụ tải phụ thuộc (trong ngắn hạn) vào điện áp

 Sử dụng đầu phân áp điều chỉnh dưới tải cho phép khôi phục điện

áp phụ tải, và công suất phụ tải nhanh chóng

44 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Điều khiển đầu phân áp MBA Điều khiển đầu phân áp MBA

 OLTC có tác dụng phân bố lại CSPK trên các đường dây

 Chỉ có tác dụng nếu hệ thống còn dự trữ CSPK

 Khi điện áp sụt thấp, các OTLC của các MBA nối với cùng một

đường dây truyền tải có thể tác động theo dây chuyền

45 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse) Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse)

 HTĐ đang vận hành trong tình trạng nặng tải, thiếu hụt CSPK

 Sự cố dẫn đến cắt điện thêm một đường dây tải điện quan trọng, làm sụt

áp tăng. Tổn thất CSPK trong HTĐ tăng

 Điện áp sụt giảm làm cho công suất của phụ tải sụt giảm (tạm thời)

 Tác động của hệ thống OLTC và bản thân sự tự phục hồi của tải làm cho

sụt áp tăng trở lại.

 Hệ thống OLTC lại tiếp tục làm việc, phục hồi điện áp ở các nút tải, điện

áp trên lưới truyền tải điện tiếp tục giảm. CSPK của các máy phát tiếp tục

tăng

 Quá trình dẫn đến quá tải kích từ các máy phát: Hệ thống bảo vệ cắt kích

từ, thậm chí cắt máy phát

46 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse) Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse)

 Quá trình giảm điện áp có thể diễn ra trong thời gian dài (hàng giờ)

47 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse) Hiện tượng sụp đổ điện áp (voltage collapse)

Khi điện áp trên lưới truyền tải giảm quá thấp

 Các rơ le bảo vệ có thể tác động: Bảo vệ quá dòng, bảo vệ khoảng cách

(do chồng lấn tải)

 Các máy phát có thể bị mất đồng bộ và bị cắt ra khỏi hệ thống

 Sự tác động của các rơ le bảo vệ làm chia tách HTĐ, có thể dẫn đến tình

trạng rã lưới

48 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Hiện tượng sụp đổ điện áp Hiện tượng sụp đổ điện áp

 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi xảy ra sụp đổ điện áp

VAN

VBN

VCN

U/ V

100 t/s

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 -100

IA-1

IB-1

IC-1

I/ A

10 t/s

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 -10

49 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Hiện tượng sụp đổ điện áp Hiện tượng sụp đổ điện áp

 Các chức năng bảo vệ có thể tác động

87T

Relay so lệch khối

Rơ le mất đồng bộ

Rơ le chạm đất stator (95%)

59 N

Rơ le quá kích từ

Relay quá dòng

59F

50 51

Rơ le quá điện áp

Máy biến áp tự dùng

59 59 59

Rơ le mất kích từ

87L

87 87L L

21 N

Rơ le quá nhiệt

Rơ le thứ tự nghịch

64 F

Rơ le khoảng cách

Bảo vệ chống chạm đất cuộn rotor

Rơ le chạm đất (100%)

59N

Rơ le so lệch máy phát

87G

Rơ le công suất ngược

50 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Mô phỏng sự cố mất tụ bù ngang, lưới điện 4 máy phát, tại t = 10s

 Giả thiết: Phụ tải tại nút 9 được cấp điện thông qua máy biến áp có điều

áp dưới tải (OLTC)

51 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 OLTC chưa hoạt động: Tốc độ các máy phát:

52 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 OLTC chưa hoạt động : Điện áp tại thanh cái cao áp, nút 7 và 9

53 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 OLTC chưa hoạt động : Điện áp và CSPK máy 3 và 4

Giới hạn CSPK

54 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Khi OTLC hoạt động: tốc độ MF, vị trí đầu phân áp tại nút 9

55 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Khi OTLC hoạt động: Điện áp tại nút 7 và 9 (phía 230kV)

56 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Khi OTLC hoạt động: Điện áp và CSPK máy 3, 4

Giới hạn CSPK

57 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Có OLTC và rơ le OEL:Tốc độ các máy phát

58 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Có OLTC và rơ le OEL:Vị trí nấc phân áp và điện áp tại thanh cái hạ áp,

nút 9

59 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Có OLTC và rơ le OEL: Điện áp tại thanh cái cao áp, nút 7 và 9

60 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Có OLTC và rơ le OEL: Điện áp và CSPK máy 3 và 4

Giới hạn CSPK

61 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Ví dụ mô phỏng Ví dụ mô phỏng

 Có OLTC và rơ le OEL: Tổng trở biểu kiến từ 9-7

62 TS. Nguyễn Đức Huy – Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBKHN Tháng 12/2014

Bài giảng: Điều khiển điện áp trong hệ thống điện - TS. Nguyễn Đức Huy

Chủ đề:

Kỹ thuật điện

Bài giảng Kỹ thuật điện