Điều tần trong hệ thống điện

Trong các hệ thống điện, tại bất kỳ thời điểm nào, lượng điện năng đó phải được tạo ra ở mức cần thiết để tiêu thụ tại một thời điểm nhất định, vì không thể tạo ra năng lượng điện dự trữ.

Tần số cùng với điện áp là một trong những cái chính chỉ tiêu chất lượng điện năng... Sự sai lệch tần số so với bình thường dẫn đến sự gián đoạn hoạt động của các nhà máy điện, theo quy luật, dẫn đến đốt cháy nhiên liệu. Việc giảm tần số trong hệ thống dẫn đến giảm năng suất của các cơ chế trong các doanh nghiệp công nghiệp và giảm hiệu quả của các tổ máy chính của nhà máy điện. Việc tăng tần số cũng dẫn đến giảm hiệu quả của các tổ máy nhà máy điện và tăng tổn thất lưới điện.

Hiện nay, vấn đề tự động điều tần bao gồm rất nhiều vấn đề có tính chất kinh tế và kỹ thuật. Hệ thống điện hiện đang thực hiện chế độ tự động điều tần.

Ảnh hưởng của tần số đến hoạt động của thiết bị nhà máy điện

Tất cả các đơn vị thực hiện chuyển động quay đều được tính toán sao cho hiệu quả cao nhất của chúng đạt được gấp ba lần từ một tốc độ quay rất cụ thể, cụ thể là ở tốc độ danh nghĩa. Hiện tại, các thiết bị thực hiện chuyển động quay phần lớn được kết nối với máy điện.

Việc sản xuất và tiêu thụ năng lượng điện được thực hiện chủ yếu bằng dòng điện xoay chiều; do đó, phần lớn khối thực hiện chuyển động quay gắn liền với tần số của dòng điện xoay chiều. Thật vậy, giống như tần số của máy phát điện do máy phát điện xoay chiều tạo ra phụ thuộc vào tốc độ của tuabin, do đó tốc độ của cơ chế do động cơ AC điều khiển phụ thuộc vào tần số.

Độ lệch của tần số dòng điện xoay chiều so với giá trị danh nghĩa có ảnh hưởng khác nhau đối với các loại thiết bị khác nhau, cũng như trên các thiết bị và thiết bị khác nhau mà hiệu quả của hệ thống điện phụ thuộc vào.

Tua bin hơi nước và các cánh quạt của nó được thiết kế sao cho công suất trục tối đa có thể được cung cấp ở tốc độ (tần số) định mức và đầu vào hơi liền mạch. Trong trường hợp này, việc giảm tốc độ quay dẫn đến xuất hiện tổn thất do hơi nước tác động lên lưỡi dao đồng thời làm tăng mô-men xoắn và tăng tốc độ quay dẫn đến giảm mô-men xoắn và tăng mô-men xoắn. tác động vào mặt sau của lưỡi dao. Tua bin tiết kiệm nhất hoạt động ở tần số danh định.

Ngoài ra, hoạt động ở tần số giảm dẫn đến tốc độ mài mòn của các cánh quạt tuabin và các bộ phận khác.Việc thay đổi tần số ảnh hưởng đến hoạt động của các cơ cấu tự dùng của nhà máy điện.

Ảnh hưởng của tần số đến hiệu suất của hộ tiêu thụ điện

Các cơ chế và đơn vị tiêu thụ điện có thể được chia thành năm nhóm theo mức độ phụ thuộc vào tần số.

Nhóm đầu tiên. Người dùng có sự thay đổi tần số không ảnh hưởng trực tiếp đến sức mạnh được phát triển. Chúng bao gồm: ánh sáng, lò hồ quang điện, điện trở rò rỉ, bộ chỉnh lưu và tải do chúng cung cấp.

Nhóm thứ hai. Các cơ chế có công suất thay đổi tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc nhất của tần số. Các cơ chế này bao gồm: máy cắt kim loại, máy nghiền bi, máy nén.

Nhóm thứ ba. Các cơ chế có công suất tỉ lệ với bình phương tần số. Đây là những cơ chế có mômen cản tỷ lệ thuận với tần số ở cấp độ đầu tiên. Không có cơ chế nào có thời điểm cản chính xác này, nhưng một số cơ chế đặc biệt có thời điểm gần đúng với điều này.

Nhóm thứ tư. Cơ chế mô-men xoắn của quạt có công suất tỷ lệ với lập phương của tần số. Các cơ chế như vậy bao gồm quạt và máy bơm không có hoặc không có điện trở đầu tĩnh không đáng kể.

Nhóm thứ năm. Các cơ chế có công suất phụ thuộc vào tần số ở mức độ cao hơn. Các cơ chế như vậy bao gồm các máy bơm có cột áp tĩnh lớn (ví dụ: máy bơm cấp liệu của các nhà máy điện).

Hiệu suất của bốn nhóm người dùng cuối cùng giảm khi tần suất giảm và tăng khi tần suất tăng. Thoạt nhìn, có vẻ như người dùng làm việc với tần suất cao hơn sẽ có lợi, nhưng điều này còn lâu mới xảy ra.

Ngoài ra, khi tần số tăng, mô-men xoắn của động cơ cảm ứng giảm, điều này có thể khiến thiết bị bị đình trệ và dừng lại nếu động cơ không có nguồn điện dự trữ.

Điều khiển tần số tự động trong hệ thống điện

Mục đích của điều khiển tự động tần số trong HTĐ trước hết là đảm bảo vận hành kinh tế các trạm và HTĐ. Hiệu quả vận hành của hệ thống điện không thể đạt được nếu không duy trì giá trị tần số bình thường và không có sự phân phối phụ tải thuận lợi nhất giữa các tổ máy làm việc song song và các nhà máy điện của hệ thống điện.

Để điều chỉnh tần số, tải được phân phối giữa một số đơn vị làm việc song song (trạm). Đồng thời, tải được phân phối giữa các đơn vị sao cho với những thay đổi nhỏ trong tải hệ thống (tối đa 5-10%), chế độ vận hành của số lượng lớn đơn vị và trạm không thay đổi.

Với tính chất thay đổi của tải, chế độ tốt nhất sẽ là chế độ trong đó phần chính của khối (trạm) mang tải tương ứng với điều kiện bằng nhau của các bước tương đối, và các dao động nhỏ và ngắn của tải được bao phủ bằng cách thay đổi tải của một phần nhỏ từ các đơn vị.

Khi họ phân phối tải giữa các tổ máy làm việc song song, họ cố gắng đảm bảo rằng tất cả chúng đều hoạt động trong khu vực có hiệu suất cao nhất, trong trường hợp này, mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu được đảm bảo.

Các đơn vị được giao nhiệm vụ bao gồm tất cả các thay đổi phụ tải ngoài kế hoạch, tức là điều tần trong hệ thống phải đáp ứng các yêu cầu sau:

• có hiệu quả cao;

• có đường cong hiệu suất tải phẳng, tức là duy trì hiệu quả cao trong một loạt các biến thể tải.

Trong trường hợp tải hệ thống thay đổi đáng kể (ví dụ: tăng), khi toàn bộ hệ thống chuyển sang chế độ hoạt động có giá trị lớn hơn của mức tăng tương đối, điều khiển tần số được chuyển đến một trạm như vậy trong mà độ lớn của độ lợi tương đối gần bằng độ lớn của hệ thống .

Trạm tần số có dải điều khiển lớn nhất trong phạm vi công suất đặt của nó. Các điều kiện điều khiển dễ thực hiện nếu điều khiển tần số có thể được chỉ định cho một trạm duy nhất. Một giải pháp thậm chí còn đơn giản hơn thu được trong trường hợp quy định có thể được chỉ định cho một đơn vị.

Tốc độ của tua-bin xác định tần số trong hệ thống điện, vì vậy tần số được điều khiển bằng cách tác động lên bộ điều tốc tua-bin. Tua bin thường được trang bị bộ điều tốc ly tâm.

Thích hợp nhất để điều khiển tần số là tuabin ngưng tụ có thông số hơi bình thường... Tua bin áp suất ngược là loại tuabin hoàn toàn không phù hợp để điều khiển tần số, vì tải điện của chúng được xác định hoàn toàn bởi người sử dụng hơi nước và gần như hoàn toàn độc lập với tần số trong hệ thống .

Việc giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số cho các tuabin có lực hút hơi lớn là không thực tế, bởi vì, thứ nhất, chúng có (phạm vi điều khiển rất nhỏ và thứ hai, chúng không kinh tế khi vận hành tải thay đổi.

Để duy trì dải điều khiển cần thiết, công suất của trạm điều khiển tần số tối thiểu phải bằng 8 - 10% tải trong hệ thống để có đủ dải điều khiển. Dải điều tiết của nhà máy nhiệt điện không thể bằng công suất đặt. Do đó, công suất của CHP, điều chỉnh tần số, tùy thuộc vào loại nồi hơi và tuabin, phải cao hơn hai đến ba lần so với phạm vi điều chỉnh cần thiết.

Công suất lắp đặt nhỏ nhất của nhà máy thủy điện để tạo ra dải điều khiển cần thiết có thể nhỏ hơn đáng kể so với công suất nhiệt. Đối với nhà máy thủy điện, dải điều chỉnh thường bằng công suất đặt. Khi tần số được điều khiển bởi một nhà máy thủy điện, không có giới hạn nào đối với tốc độ tăng tải bắt đầu từ thời điểm khởi động tuabin. Tuy nhiên, điều chỉnh tần số của các nhà máy thủy điện có liên quan đến sự phức tạp nổi tiếng của thiết bị điều khiển.

Ngoài loại trạm và đặc điểm của thiết bị, việc lựa chọn trạm điều khiển bị ảnh hưởng bởi vị trí của nó trong hệ thống điện, cụ thể là khoảng cách điện từ trung tâm phụ tải. Nếu trạm nằm ở trung tâm của phụ tải điện và được kết nối với các trạm biến áp và các trạm khác của hệ thống thông qua các đường dây điện mạnh, thì theo quy luật, việc tăng tải của trạm điều tiết không dẫn đến vi phạm ổn định tĩnh.

Ngược lại, khi trạm điều khiển đặt xa trung tâm hệ thống sẽ có thể xảy ra nguy cơ mất ổn định.Trong trường hợp này, điều chỉnh tần số phải đi kèm với điều khiển góc phân kỳ của các vectơ e. vân vân. c) hệ thống và trạm quản lý hoặc điều khiển công suất truyền tải.

Các yêu cầu chính đối với hệ thống điều khiển tần số điều chỉnh:

• thông số và giới hạn điều chỉnh,

• lỗi tĩnh và động,

• tốc độ thay đổi trong khối tải,

• đảm bảo tính ổn định của quy trình điều tiết,

• khả năng điều tiết bằng một phương pháp nhất định.

Bộ điều chỉnh nên đơn giản trong thiết kế, đáng tin cậy trong hoạt động và không tốn kém.

Các phương pháp điều khiển tần số trong HTĐ

Sự phát triển của các hệ thống điện dẫn đến nhu cầu điều chỉnh tần số của một số khối của một trạm, và sau đó là một số trạm. Với mục đích này, một số phương pháp được sử dụng để đảm bảo hệ thống điện hoạt động ổn định và chất lượng tần số cao.

Phương pháp điều khiển được áp dụng không được cho phép tăng giới hạn độ lệch tần số do lỗi xảy ra trong các thiết bị phụ trợ (thiết bị phân phối tải tích cực, kênh đo từ xa, v.v.).

Phương pháp điều chỉnh tần số là cần thiết để đảm bảo rằng tần số được duy trì ở một mức nhất định, bất kể tải trên các thiết bị điều khiển tần số (tất nhiên trừ khi toàn bộ dải điều khiển của chúng được sử dụng), số lượng thiết bị và trạm điều khiển tần số. , và độ lớn và thời gian của độ lệch tần số.… Phương pháp điều khiển cũng phải đảm bảo duy trì tỷ số tải cho trước của các khối điều khiển và đồng thời đưa vào quy trình điều chỉnh của tất cả các khối điều khiển tần số.

Phương pháp đặc tính tĩnh

Phương pháp đơn giản nhất có được bằng cách điều chỉnh tần số của tất cả các thiết bị trong hệ thống, khi các thiết bị sau được trang bị bộ điều tốc có đặc tính tĩnh. Trong hoạt động song song của các khối hoạt động mà không thay đổi các đặc tính điều khiển, sự phân bố tải giữa các khối có thể được tìm thấy từ các phương trình đặc tính tĩnh và các phương trình công suất.

Trong quá trình vận hành, tải thay đổi đáng kể vượt quá các giá trị được chỉ định, do đó tần số không thể được duy trì trong các giới hạn đã chỉ định. Với phương thức điều tiết này, cần một lượng dự trữ luân chuyển lớn trải rộng trên tất cả các đơn vị của hệ thống.

Phương pháp này không thể đảm bảo vận hành kinh tế các nhà máy điện, vì một mặt không thể sử dụng hết công suất của các tổ máy tiết kiệm, mặt khác, phụ tải trên tất cả các tổ máy luôn thay đổi.

Phương pháp có đặc tính bất động

Nếu tất cả hoặc một phần của các đơn vị hệ thống được trang bị bộ điều chỉnh tần số có đặc tính tĩnh, thì về mặt lý thuyết, tần số trong hệ thống sẽ không thay đổi đối với bất kỳ thay đổi nào của tải. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này không dẫn đến tỷ lệ tải cố định giữa các đơn vị được điều khiển tần số.

Phương pháp này có thể được áp dụng thành công khi điều khiển tần số được chỉ định cho một đơn vị.Trong trường hợp này, công suất của thiết bị ít nhất phải bằng 8 - 10% công suất hệ thống. Việc bộ điều khiển tốc độ có đặc tính tĩnh hay thiết bị được trang bị bộ điều chỉnh tần số có đặc tính tĩnh không quan trọng.

Tất cả các thay đổi tải ngoài kế hoạch được cảm nhận bởi một đơn vị có đặc tính không ổn định. Do tần số trong hệ thống không thay đổi nên tải trên các thiết bị khác của hệ thống không thay đổi. Điều khiển tần số một đơn vị trong phương pháp này là hoàn hảo, nhưng không thể chấp nhận được khi điều khiển tần số được gán cho nhiều đơn vị. Phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh trong các hệ thống điện công suất thấp.

phương pháp máy phát điện

Phương pháp máy phát chính có thể được sử dụng trong trường hợp, tùy theo điều kiện của hệ thống, cần điều chỉnh tần số của một số tổ máy tại cùng một trạm.

Một bộ điều chỉnh tần số có đặc tính tĩnh được cài đặt trên một trong các khối, được gọi là khối chính. Các bộ điều chỉnh tải (bộ cân bằng) được lắp đặt trên các khối còn lại, cũng được giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số. Chúng được giao nhiệm vụ duy trì một tỷ lệ nhất định giữa tải trên thiết bị chính và các thiết bị khác giúp điều chỉnh tần số. Tất cả các tuabin trong hệ thống đều có bộ điều tốc tĩnh.

Phương pháp thống kê ảo

Phương pháp tĩnh tưởng tượng được áp dụng cho cả quy định đơn trạm và đa trạm.Trường hợp thứ hai phải có các kênh đo xa hai chiều giữa trạm điều chỉnh tần số và phòng điều khiển (truyền chỉ thị phụ tải từ trạm về phòng điều khiển và truyền lệnh tự động từ phòng điều khiển về trạm ).

Một bộ điều chỉnh tần số được cài đặt trên mỗi thiết bị liên quan đến quy định. Quy định này là bất tĩnh đối với việc duy trì tần số trong hệ thống và tĩnh đối với sự phân bố tải giữa các máy phát. Nó đảm bảo phân phối tải ổn định giữa các máy phát điều chế.

Chia sẻ tải giữa các thiết bị được kiểm soát tần số đạt được bằng thiết bị chia sẻ tải đang hoạt động. Cái sau, tóm tắt toàn bộ tải của các đơn vị điều khiển, phân chia nó giữa chúng theo một tỷ lệ nhất định được xác định trước.

Phương pháp thống kê ảo cũng cho phép điều chỉnh tần số trong một hệ thống gồm nhiều trạm, đồng thời tỷ lệ tải nhất định sẽ được tôn trọng cả giữa các trạm và giữa các đơn vị riêng lẻ.

Phương pháp thời gian đồng bộ

Phương pháp này sử dụng độ lệch của thời gian đồng bộ so với thời gian thiên văn làm tiêu chí để điều chỉnh tần số trong các hệ thống điện đa trạm mà không sử dụng cơ điện từ xa. Phương pháp này dựa trên sự phụ thuộc tĩnh của độ lệch của thời gian đồng bộ so với thời gian thiên văn, bắt đầu từ một thời điểm nhất định.

Ở tốc độ đồng bộ bình thường của các rôto của máy phát tuabin của hệ thống và sự bằng nhau của các mômen quay và mômen cản, rôto của động cơ đồng bộ sẽ quay với cùng tốc độ. Nếu một mũi tên được đặt trên trục rôto của động cơ đồng bộ, nó sẽ hiển thị thời gian trên một thang đo nhất định. Bằng cách đặt một bánh răng phù hợp giữa trục của động cơ đồng bộ và trục của kim, có thể làm cho kim quay với tốc độ của kim giờ, kim phút hoặc kim giây của đồng hồ.

Thời gian được hiển thị bởi mũi tên này được gọi là thời gian đồng bộ. Thời gian thiên văn được lấy từ các nguồn thời gian chính xác hoặc từ các tiêu chuẩn tần số dòng điện.

Một phương pháp để kiểm soát đồng thời các đặc tính tĩnh và tĩnh

Bản chất của phương pháp này là như sau. Có hai trạm điều khiển trong hệ thống điện, một trong số chúng hoạt động theo đặc tính tĩnh và trạm thứ hai theo đặc tính tĩnh với hệ số tĩnh nhỏ. Đối với những sai lệch nhỏ của lịch trình tải thực tế so với phòng điều khiển, bất kỳ biến động tải nào sẽ được cảm nhận bởi một trạm có đặc tính không ổn định.

Trong trường hợp này, trạm điều khiển có đặc tính tĩnh sẽ chỉ tham gia điều chỉnh ở chế độ nhất thời, tránh độ lệch tần số lớn. Khi hết phạm vi điều chỉnh của trạm thứ nhất, trạm thứ hai sẽ chuyển sang điều chỉnh. Trong trường hợp này, giá trị tần số cố định mới sẽ khác với giá trị danh nghĩa.

Trong khi trạm đầu tiên kiểm soát tần số, tải trên các trạm cơ sở sẽ không thay đổi. Khi được điều chỉnh bởi trạm thứ hai, tải trên các trạm gốc sẽ lệch khỏi tải kinh tế.Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này là rõ ràng.

Phương pháp quản lý khóa nguồn

Phương pháp này bao gồm thực tế là mỗi hệ thống điện được bao gồm trong kết nối liên kết chỉ tham gia điều chỉnh tần số nếu độ lệch tần số là do thay đổi tải trong đó. Phương pháp này dựa trên tính chất sau đây của các hệ thống năng lượng được kết nối với nhau.

Nếu tải trong bất kỳ hệ thống điện nào tăng lên, thì việc giảm tần số trong đó đi kèm với việc giảm công suất trao đổi đã cho, trong khi ở các hệ thống điện khác, việc giảm tần số đi kèm với việc tăng công suất trao đổi đã cho.

Điều này là do tất cả các thiết bị có đặc tính điều khiển tĩnh, cố gắng duy trì tần số, sẽ tăng công suất đầu ra. Như vậy, đối với HTĐ có sự thay đổi phụ tải thì dấu hiệu của độ lệch tần số và dấu của độ lệch công suất trao đổi trùng nhau, nhưng ở các HTĐ khác thì các dấu hiệu này không giống nhau.

Mỗi hệ thống điện có một trạm điều khiển nơi lắp đặt bộ điều chỉnh tần số và rơle chặn trao đổi công suất.

Cũng có thể cài đặt bộ điều chỉnh tần số bị chặn bởi rơle trao đổi công suất ở một trong các hệ thống và trong hệ thống điện liền kề - bộ điều chỉnh công suất trao đổi bị chặn bởi rơle tần số.

Phương pháp thứ hai có ưu điểm hơn phương pháp thứ nhất nếu bộ điều chỉnh nguồn AC có thể hoạt động ở tần số định mức.

Khi tải trong hệ thống điện thay đổi, các dấu hiệu của độ lệch tần số và công suất trao đổi trùng nhau, mạch điều khiển không bị chặn và dưới tác động của bộ điều chỉnh tần số, tải trên các khối của hệ thống này tăng hoặc giảm. Trong các hệ thống điện khác, các dấu hiệu của độ lệch tần số và công suất trao đổi là khác nhau và do đó các mạch điều khiển bị chặn.

Việc điều chỉnh bằng phương pháp này yêu cầu phải có sự hiện diện của các kênh truyền hình giữa trạm biến áp mà từ đó đường kết nối khởi hành đến hệ thống điện khác và trạm điều chỉnh tần số hoặc lưu lượng trao đổi. Phương pháp điều khiển chặn có thể được áp dụng thành công trong trường hợp các hệ thống điện chỉ được kết nối bằng một kết nối với nhau.

Phương pháp hệ thống tần số

Trong một hệ thống được kết nối với nhau bao gồm một số hệ thống điện, điều khiển tần số đôi khi được chỉ định cho một hệ thống trong khi các hệ thống khác điều khiển công suất truyền tải.

Phương pháp thống kê nội bộ

Phương pháp này là sự phát triển tiếp theo của phương pháp chặn điều khiển. Chặn hoặc tăng cường hoạt động của bộ điều chỉnh tần số không được thực hiện bằng các rơle công suất đặc biệt, mà bằng cách tạo ra thống kê trong công suất truyền (trao đổi) giữa các hệ thống.

Trong mỗi hệ thống năng lượng vận hành song song, một trạm điều chỉnh được phân bổ, trên đó các bộ điều chỉnh được lắp đặt, có thống kê về công suất trao đổi. Bộ điều chỉnh đáp ứng cả giá trị tuyệt đối của tần số và công suất trao đổi, trong khi giá trị sau được giữ không đổi và tần số bằng với giá trị danh nghĩa.

Trong thực tế, trong hệ thống điện ban ngày phụ tải không thay đổi mà thay đổi theo lịch phụ tải, số lượng, công suất các máy phát trong hệ thống và công suất trao đổi quy định cũng không thay đổi. Do đó, hệ số tĩnh của hệ thống không đổi.

Với công suất phát trong hệ thống cao hơn thì nhỏ hơn và với công suất thấp hơn thì ngược lại, hệ số tĩnh của hệ thống cao hơn. Do đó, điều kiện bắt buộc về sự bằng nhau của các hệ số thống kê sẽ không phải lúc nào cũng được đáp ứng. Điều này sẽ dẫn đến thực tế là khi tải thay đổi trong một hệ thống điện, các bộ biến tần trong cả hai hệ thống điện sẽ hoạt động.

Trong một hệ thống điện xảy ra sai lệch tải, bộ biến tần sẽ luôn hoạt động theo một hướng trong toàn bộ quá trình điều chỉnh, cố gắng bù cho sự mất cân bằng gây ra. Trong hệ thống điện thứ hai, hoạt động của bộ điều chỉnh tần số sẽ là hai chiều.

Nếu hệ số chỉ số của bộ điều chỉnh liên quan đến công suất trao đổi lớn hơn hệ số chỉ số của hệ thống, thì khi bắt đầu quá trình điều chỉnh, trạm điều khiển của hệ thống điện này sẽ giảm tải, do đó tăng công suất trao đổi, và sau đó tăng tải để khôi phục giá trị đặt của công suất trao đổi ở tần số định mức.

Khi hệ số chỉ số của bộ điều chỉnh đối với công suất trao đổi nhỏ hơn hệ số chỉ số của hệ thống, trình tự điều khiển trong hệ thống điện thứ hai sẽ bị đảo ngược (đầu tiên, việc chấp nhận hệ số truyền động sẽ tăng lên, sau đó nó sẽ giảm bớt).