2.2. Tác dụng của điều khiển kích từ lên độ ổn định của hệ thống

Điều khiển kích từ là một phần của hệ thống kích từ liên kết với hệ thống nguồn thông qua các đại lượng của máy điện đồng bộ gồm điện áp đầu nối, dòng điện phản kháng và dòng điện tác dụng, dòng điện kích từ và tần số hoặc vận tốc, trong chừng mực áp dụng được. Đáp ứng của hệ thống điều khiển có phản hồi, nhiều biến, nhiều mạch vòng phức hợp này thay đổi đáng kể theo các tham số của nó.

Một cách tiếp cận để đánh giá tính năng của hệ thống phức hợp là lập mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật không gian trạng thái và tính các nghiệm (nghiệm của phương trình đặc tính) đối với phạm vi các tham số hệ thống kích từ, máy điện đồng bộ và hệ thống nguồn cần quan tâm. Mô hình không gian trạng thái có thể rút ra từ các tham số, điều kiện làm việc đã biết của nhà máy điện và hệ thống điện và và dữ liệu về đáp ứng tần số thực nghiệm, nếu sẵn có. Tính toán nghiệm sẽ cho dấu hiệu trực tiếp của độ ổn định hệ thống đối với hệ thống tuyến tính hóa và đóng vai trò như một bước ban đầu hiệu quả trước khi thử nghiệm các tham số được chọn trong nghiên cứu tín hiệu lớn. Các chỉ số khác sử dụng mô hình không gian trạng thái có thể đóng vai trò làm thước đo khả năng đáp ứng các tiêu chí quy định của hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng.

Máy điện đồng bộ không tải có hàm truyền ứng với hằng số thời gian của mạch kích từ. Khi nối với hệ thống điện, xảy ra ghép nối bổ sung với quán tính, mô men xoắn và góc roto. Tăng góc roto (tức tăng tải) sẽ làm xuất hiện đỉnh cộng hưởng trong hàm truyền điện áp kích từ sang điện áp đầu nối. Điều này tương ứng với các cực phức được cản dịu kém trong miền tần số phức. Khi làm việc ở các góc roto lớn như đặc tính máy điện có thể dễ dàng dẫn đến dao động tắt dần kém hoặc mất ổn định khi làm việc trong hệ thống điều khiển phản hồi kín có bộ điều chỉnh điện áp.

Hệ số khuếch đại lớn và đáp ứng nhanh của hệ thống kích từ nhằm cung cấp mô men đồng bộ hóa tăng cao trong thời gian nhiễu hệ thống điện. Các đặc tính giống nhau này bắt nguồn từ dao động tắt dần âm khi máy điện đồng bộ làm việc ở các góc roto lớn. Thông thường cần sử dụng thêm điều khiển bổ sung ví dụ bộ ổn định hệ thống điện để mở rộng phạm vi ổn định.

Các dao động có thể phân loại thành ba nhóm chung, theo chế độ và tần suất quan sát trên các hệ thống điện.

2.2.1. Dao động cục bộ bên trong máy điện

Các dao động này thường liên quan đến hai hoặc nhiều máy điện đồng bộ ở nhà máy điện hoặc các nhà máy điện ở gần mà ở đó máy điện trao đổi năng lượng qua lại, thường ở tần số từ 1,5 Hz đến 3 Hz.

2.2.2. Dao động của (các) máy điện cục bộ đến hệ thống

...

...

...

2.2.3. Dao động bên trong hệ thống

Các dao động này thường liên quan đến tổ hợp nhiều máy điện đồng bộ trên một phần của hệ thống điện trao đổi qua lại với các máy điện trên phần khác của hệ thống. Dao động bên trong hệ thống thường có tần số thấp (≤ 1,0 Hz).

2.3. Ứng dụng của bộ ổn định hệ thống điện

Bộ ổn định hệ thống điện sử dụng các tín hiệu đầu vào bổ sung để đưa cản dịu hiệu quả vào hệ thống phức hợp gồm máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và hệ thống điện. Bộ ổn định hệ thống điện cải thiện chức năng cản dịu các dao động của roto sinh ra do nhiễu hệ thống nguồn, bù các đặc tính bất lợi của hệ số khuếch đại cao và điều khiển kích từ đáp ứng, và máy phát làm việc ở các góc roto lớn.

Có thể cần có bộ lọc trong mạch vòng hệ thống điện, để tránh kích thích các tần số xoắn, và các dao động xoắn kéo theo, mà có thể gây mỏi cho trục và hỏng cơ khí nghiêm trọng.

Hai ví dụ về các hàm truyền của bộ ổn định hệ thống điện được cho trên Hình 7 và Hình 8.

3. Tính năng của tín hiệu lớn

3.1. Quy định chung

Tính năng tín hiệu lớn là đáp ứng với các tín hiệu đủ lớn của hệ thống có độ phi tuyến đáng kể.

...

...

...

Tiêu chí đánh giá tính năng tín hiệu lớn là đáp ứng quá độ, dòng điện và điện áp trần và đáp ứng danh nghĩa rút ra từ đáp ứng thời gian. Các tham số này được định nghĩa trong TCVN 6627-16-1 (IEC 60034-16-1); vai trò của chúng sẽ được mô tả thêm.

3.2. Tiêu chí tính năng của tín hiệu lớn

3.2.1. Quy định chung

Tiêu chí tính năng của tín hiệu lớn sau đây liên quan đến các hệ thống kích từ và, trong trường hợp thuộc đối tượng áp dụng, đến các thành phần của chúng. Để cho phép độ linh hoạt lớn nhất về thiết kế, chế tạo và ứng dụng thiết bị kích từ, một số tiêu chí tính năng đã được xác định’trong các điều kiện quy định’. Các điều kiện áp dụng có thể được nhà chế tạo quy định hoặc, thông thường, được người mua thiết bị ấn định.

Bản chất chung của một vài xem xét dưới đây ví dụ như các giá trị trần của dòng điện kích từ và điện áp kích từ, cho phép sử dụng chúng để đạt được các mục tiêu khác nhau trong các ứng dụng khác nhau. Do đó, cũng có thể có nhầm lẫn nếu áp dụng không đúng. Phải thận trọng trong việc hiểu các điều khoản về ‘điều kiện quy định’ theo cách phù hợp với ứng dụng cụ thể.

3.2.2. Dòng điện trần

Trong trường hợp quan tâm đến quá tải duy trì hoặc nhiễu kéo dài thì dòng điện trần có thể dựa trên chế độ nhiệt làm việc của hệ thống kích từ mà từ đó xác định dòng điện đầu ra lớn nhất và khoảng thời gian cần thiết. Đối với một số ứng dụng, dòng điện trần sẽ được xác định bởi yêu cầu là máy điện đồng bộ tạo ra dòng điện ngắn mạch ba pha trạng thái ổn định với giá trị cụ thể trong khoảng thời gian quy định.

Trong trường hợp cần một giá trị cao của điện áp trần để thực hiện hành động cưỡng bức kích từ, các mạch điều khiển bộ giới hạn dòng điện của bộ kích từ có thể xác định dòng điện trần cần thiết.

3.2.3. Điện áp trần

...

...

...

Đối với hệ thống kích từ nguồn điện thế và hệ thống kích từ nguồn hỗn hợp có nguồn cung cấp phụ thuộc vào điện áp và dòng điện của máy điện đồng bộ, bản chất của các nhiễu hệ thống nguồn và các tham số thiết kế cụ thể của hệ thống điều khiển kích từ sẽ chi phối đầu ra của hệ thống kích từ. Đối với các hệ thống này, điện áp trần được xác định dựa trên điện áp nguồn quy định và dòng điện nguồn quy định (nếu áp dụng được).

Một số hệ thống kích từ sẽ có cả giá trị dương và âm của điện áp trần. Cũng như vậy, trong một số ứng dụng đặc biệt, hệ thống kích từ có thể đòi hỏi cung cấp dòng điện kích từ cả giá trị âm và dương cho máy điện đồng bộ.

3.2.4. Đáp ứng danh nghĩa của hệ thống kích từ

Đáp ứng danh nghĩa (xem 2.18 của TCVN 6627-16-1 (IEC 60034-16-1)) được sử dụng làm thước đo chất lượng của hệ thống kích từ liên quan đến khả năng phản ứng với các nhiễu quá độ và cho phép so sánh các hệ thống kích từ. Khoảng một nửa thứ hai được chọn để kết hợp với đáp ứng danh nghĩa với sự góp phần của hệ thống kích từ vào sự ổn định quá độ, dao động thứ nhất.

Điểm khởi đầu để xác định đáp ứng danh nghĩa là thời gian khi nhiễu được kích hoạt; nghĩa là, đáp ứng danh nghĩa của hệ thống kích từ cần chứa thời gian trễ có thể có.

Đáp ứng danh nghĩa được xác định bằng cách ban đầu vận hành hệ thống kích từ ở điện áp kích từ danh định của máy điện đồng bộ, sau đó bất ngờ tạo các điều kiện tín hiệu đầu vào điện áp đầu nối cần thiết để điều khiển điện áp của hệ thống kích từ đạt giá trị trần. Nếu đáp ứng danh nghĩa được sử dụng làm thước đo chất lượng khi so sánh các kiểu hệ thống kích từ khác nhau, có thể dẫn đến các kết quả sai nếu sử dụng các kiểu bộ hạn chế khác nhau hoặc các giá trị điện cảm khác nhau của máy điện đồng bộ.

3.2.5. Đáp ứng quá độ

Nhiều tiêu chí tính năng của tín hiệu lớn cho ra một giá trị bằng số đơn lẻ. Điện áp trần của hệ thống kích từ và đáp ứng danh nghĩa là hai ví dụ. Các tiêu chí này có ích khi so sánh tính năng của các hệ thống khác nhau và chúng có giá trị như các tiêu chí thiết kế mà có thể được sử dụng để kiểm tra xác nhận rằng nhà chế tạo đáp ứng các yêu cầu trong quy định kỹ thuật. Tuy nhiên, các tiêu chí giá trị đơn lẻ này không cung cấp đủ thông tin về tất cả các trường hợp đối với việc lựa chọn hoặc kiểm tra tham số mô hình. Đáp ứng cụ thể có thể có được trong các mô hình có các tổ hợp khác nhau về tham số mô hình. Mặc dù đáp ứng quá độ thường kết hợp với phân tích tín hiệu nhỏ, nên đây là tiêu chí có ích trong việc đánh giá tính năng của tín hiệu lớn, đặc biệt đối với các ứng dụng liên quan đến việc lựa chọn và đánh giá các mô hình máy tính.

Đáp ứng quá độ tín hiệu lớn là đáp ứng thời gian với sự biến thiên của đầu vào và đầu ra của các thành phần cần đánh giá như một hàm của thời gian. Mặc dù đáp ứng quá độ thường kết hợp với sự thay đổi theo bước trong các biến đầu vào nên nó chỉ cần thiết khi sự thay đổi trong biến đầu vào là đủ lớn và đủ nhanh để đáp ứng tại đầu ra được phân loại là đáp ứng tín hiệu lớn đối với đáp ứng tạo ra là có ích.

...

...

...

trong đó

K = 25

T₁ = 0,3 s

T₂ = 6 s

Hình 1 - Hệ thống kích từ đơn giản hóa và máy điện đồng bộ

...

...

...

t_r thời gian tăng

d quá điều chỉnh

t_s thời gian quá độ

B_s dải quy định đối với thời gian quá độ

t_d thời gian trễ

t_p thời gian đạt đến giá trị đỉnh

Hình 2 - Đáp ứng thời gian với sự thay đổi bước nhảy của hệ thống điều khiển kích từ đơn giản

...

...

...

f_m biên của pha =  tại w_c

G_m biên của hệ số khuếch đại = (0-G) tại f = -180^o

w_c tần số cắt tại hệ số khuếch đại bằng đơn vị (G = 0)

Hình 3 - Đáp ứng tần số mạch vòng hở của hệ thống điều khiển kích từ đơn giản với máy điện đồng bộ không tải

Chỉ số tính năng:

M_p Giá trị đỉnh của đáp ứng biên độ

...

...

...

w_b độ rộng băng tần (ở M_p = -3 dB)

Hình 4 - Đáp ứng tần số mạch vòng kín của hệ thống điều khiển kích từ đơn giản với máy điện đồng bộ không tải

Hệ thống điều khiển kích từ

Hình 5 - Đồ thị cực/zero, mạch vòng hở của hệ thống điều khiển kích từ đơn giản với máy điện đồng bộ không tải

Hệ thống điều khiển kích từ

...

...

...

Hình 6 - Đồ thị quỹ tích nghiệm, mạch vòng kín của hệ thống điều khiển kích từ đơn giản với máy điện đồng bộ không tải khi hệ số khuếch đại mạch vòng, K, biến thiên

Hình 7 - Hàm truyền của bộ ổn định hệ thống điện

Hình 8 - Hàm truyền thay thế của bộ ổn định hệ thống điện

...

...

...

Lời nói đầu

Lời giới thiệu

1. Phạm vi áp dụng

2. Tính năng của tín hiệu nhỏ

2.1. Phương pháp mô tả tính năng của tín hiệu nhỏ

2.2. Tác dụng của điều khiển kích từ lên độ ổn định của hệ thống

2.3. Ứng dụng của bộ ổn định hệ thống điện

3. Tính năng của tín hiệu lớn

3.1. Quy định chung

...

...

...

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6627-16-3:2014 (IEC/TR 60034-16-3:1996) về Máy điện quay - Phần 16-3: Hệ thống kích từ máy điện đồng bộ - Tính năng động học