Công nghệ tự động điều chỉnh điện áp máy phát điện AVR - dùng PSS và Diode quay

1.Giới thiệu bộ AVR

Bộ AVR (AVR- Automatic Voltage Regulator) là bộ tự động điều chỉnh kích từ kiểu điện tử kỹ thuật số, nó nhận tín hiệu đầu vào là điện áp 3-pha tại đầu cực máy phát, sử dụng nguyên lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức năng điều chỉnh hệ số công suất và dòng điện kích từ. Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID - Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, bộ PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào bộ điều khiển sẽ giảm tối đa sai số (hình 10)

PID dùng để điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật toán của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển này có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Bộ AVR của máy phát điện hoạt động không phụ thuộc vào tần số, chỉ trừ khi nào thấp hơn ngưỡng cho phép thì nó mới cắt giảm kích tư đầu ra bảo vệ cho AVR và đầu phát an toàn.

Hình 10- Sơ đồ khối của bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID

Điều chỉnh PID bằng phương pháp toán học tạo ra một xung trong hệ thống và sau đó sử dụng đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển để thiết kế các giá trị của vòng điều khiển PID, bộ điều khiển số còn có chức năng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ cũng được gửi tới cho phép bộ điều khiển tự tính toán giá trị điều chỉnh tối ưu. 

Một bộ cài đặt điện áp thích hợp được với việc vận hành bằng tay tại tủ điều chỉnh điện áp và tủ điều khiển tại chỗ tổ máy.

- Bộ cài đặt này có khả năng đặt dải điện áp đầu cực máy phát trong khoảng ± 50% giá trị điện áp định mức. Tất cả các bộ cài đặt giá trị vận hành đều là kiểu điện tử kỹ thuật số. Bộ cài đặt giá trị điện áp vận hành bằng tay và bộ cài đặt giá trị điện áp mẫu phải tự động đặt về giá trị nhỏ nhất khi tổ máy dừng.

- Bộ AVR điều khiển tự động đóng hoặc mở mạch mồi kích từ ban đầu trong quá trình khởi động tổ máy.

- Chức năng bù điện kháng được thiết kế kèm theo các phương pháp điều chỉnh để có thể bù điện kháng trong khoảng lớn nhất là 20%.

- Chức năng bù dòng giữa các tổ máy được thiết kế để đảm bảo điện kháng được phân bổ ổn định giữa các máy phát. Có biện pháp ngăn ngừa quá kích từ máy phát trong quá trình khởi động và dừng bình thường của tổ máy.

- Mỗi cầu nắn dòng Thyristor được trang bị riêng một mạch điều khiển xung. Mạch điều khiển xung có khả năng vận hành tự động và không tự động. Các cổng tín hiệu vào và ra có thể bị ảnh hưởng do các nhiễu loạn trong mạch điều khiển, do đó được bảo vệ bằng các bộ lọc nhiễu hoặc bằng các rơ le thích hợp. Độ tin cậy và chính xác của góc pha mạch điều khiển xung phải đảm bảo sao cho các bộ chỉnh lưu hoạt động trong toàn bộ phạm vi điện áp xoay chiều là 30% - 150% giá trị định mức và tần số là 90% - 145% giá trị định mức, thậm chí cả khi sóng điện áp bị méo (không là hình sin).

- Đo lường điện áp máy phát được thực hiện trên cả ba pha. Độ chính xác của điện áp điều chỉnh nằm trong trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành từ không tải tới đầy tải.

- Một tín hiệu điều khiển từ bên ngoài được tác động vào bộ AVR để thay đổi liên tục giá trị điều chỉnh mẫu mà không cần bất cứ một bộ phận quay nào. Một mạch cản có thể được sử dụng để hạn chế độ dốc của tín hiệu bên ngoài, nếu cần thiết.

- Bộ AVR được cung cấp cùng với các bộ giới hạn giá trị kích từ min, max và có thể điều chỉnh; bộ giới hạn cho phép tổ máy vận hành an toàn và ổn định, thậm chí tại các giá trị giới hạn trên và dưới kích từ.

- Bộ giới hạn hoạt động sẽ tác động điều chỉnh góc mở các thyristor. Nó có khả năng đưa đường cong vận hành của các bộ giới hạn càng gần với đường cong công suất của tổ máy. Do sự xuất hiện sụt áp tức thời hoặc do ngắn mạch ngoài, bộ giới hạn quá kích từ sẽ không phản ứng trong khoảng 1giây để cho phép chọn chính xác lại dòng kích từ cưỡng bức. Các giá trị đo lường thích hợp như đo tính trễ của mạng được lấy để đưa vào phục vụ chế độ vận hành dưới kích từ.

- Một mạch khoá giữ ổn định mạng (hoặc chống dao động - switchable stabilizing network) được trang bị để góp phần dập dao dộng của tổ máy bằng cách điều khiển thích hợp bộ kích từ. Tín hiệu ổn định được giới hạn sao cho nó không thể làm bộ kích từ thay đổi quá l0% giá trị bình thường trong bất cứ trường hợp nào. Tín hiệu ổn định sẽ tự động cắt khi dòng tác dụng nhỏ hơn giá trị đã xác định. Nó có khả năng xác định các giá trị từ 10-30% giá trị dòng tác dụng bình thường và điều chỉnh tín hiệu đầu ra của khoá. Giữ ổn định mạng theo thực tế với các giá trị liên tục từ 0 tới giá trị lớn nhất của nó. Các thông số ổn định được dựa vào thành phần tích phân của biến đổi công suất tác dụng. Tín hiệu công suất đầu vào được lọc thích hợp để không sinh ra giá trị bù điện áp cố định.

- Bộ AVR được trang bị bộ điều khiển áp đường dây và mạch bù dòng điện tổ máy để phân bố tải giữa các máy phát.

- Bộ điều chỉnh điện áp bằng tay có khả năng điều chỉnh góc mở Thyristor bằng một mạch độc lập. Trang thiết bị điều khiển bằng tay được thiết kế để liên tục và tự động đặt tại các vị trí tương ứng với các giá trị mà bộ AVR đạt được không có sự thay đổi về dòng kích từ nào xảy ra khi chuyển từ chế độ AVR sang điều khiển bằng tay.

2. Bộ AVR cùng một lúc thực hiện 6 chức năng cơ bản:

2.1 Điều chỉnh điện áp máy phát điện:

Với chức năng này bộ AVR nó có thể tiến hành theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện, đồng thời so sánh với một điện áp tham chiếu. Nó phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữ điện áp đo được và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất. Điện áp tham chiếu thường được đặt tại giá trị định mức khi máy phát vận hành độc lâp hoặc là điện áp thanh cái, điện áp lưới tại chế độ vận hành hòa lưới.

2.2 Giới hạn tỉ số điện áp và tần số:

Khi khởi động một tổ máy, lúc tốc độ quay của Rotor còn thấp, tần số phát ra sẽ thấp. Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăng dòng kích thích lên sao cho đủ điện áp đầu ra như tham chiếu theo giá trị đặt hoặc điện áp lưới. Điều này dẫn đến quá kích thích: cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp tự dùng,… sẽ bị quá kích thích, bão hòa từ, và quá nhiệt. Thường tốc độ máy phát cần đạt đến 95% tốc độ định mức. AVR phải luôn theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dòng kích thích cho phù hợp.

2.3 Điều khiển công suất vô công của máy phát điện:

Ngoài việc theo dõi và điều khiển điện áp, còn phải theo dõi và điều khiển dòng điện vô công có thể hiểu là điều khiển dòng kích thích khi công suất vô công và điện áp lưới có sự thay đổi, sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất vô công phải là mối liên hệ hợp lý. Thực chất là điều khiển dòng kích thích khi công suất vô công và điện áp lưới có sự thay đổi, để mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất vô công phải hợp lý.

2.4 Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây:

Muốn giảm bớt tác hại của hệ thống do quá trình vận hành máy phát điện gây ra, Bộ điều áp phải dự đoán được khả năng sụt giảm của đường dây, và tạo ra điện áp bù trừ cho độ sụt giảm đó. Tác động bù này giúp cho điện áp tại một điểm nào đó, giữa máy phát và hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải. Điện áp này được cộng thêm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện áp đầu cực máy phát đã đo lường được. Bộ điều áp tự động sẽ căn cứ vào điện áp tổng hợp này mà điều chỉnh dòng kích từ, sao cho điện áp tổng hợp nói trên là không đổi.

Nếu các cực tính của biến dòng đo lường và biến điện áp đo lường được nối sao cho chúng trừ bớt lẫn nhau, sẽ có: Ump – Imp (r + jx) = const.

Độ bù của bộ điều áp càng cao, thì điểm ổn định điện áp càng xa máy phát và càng gần tải hơn. Trong các nhà máy điện nói chung và nhà máy thuỷ điện nói riêng, vấn đề duy trì điện áp đầu cực máy phát ổn định (liên quan đến tần số phát) và bằng với giá trị điện áp định sẵn là rất quan trọng, hệ thống kích từ máy phát phải đảm bảo điều này bằng cách thay đổi giá trị của bộ bù tổng trở khi máy phát vận hành hoặc cách ly với hệ thống và các máy cắt đường dây truyền tải đóng hoặc mở. Thành phần quan trọng nhất trong hệ thống là các cầu chỉnh lưu Thyristor và bộ tự động điều chỉnh điện áp.

2.5 Khống chế dòng điện phản kháng do thiếu kích thích, nhằm tạo sự ổn định cho hệ thống, khi máy hòa vào lưới điện.

2.6 Cường hành kích thích khi có sự cố trên lưới.

Bộ điều áp (AVR) sẽ đo điện áp ra của stator chính và điều khiểu công suất kích từ theo sơ đồ: stator chính - AVR - stator kích từ - rotor kích từ - bộ diode quay - rotor chính.

Nhược điểm của hệ thống kích từ loại này là khi điện áp ra của stator bị dao dộng hoặc bị méo sóng thì AVR không thể khắc phục hoàn toàn sự dao động này do nguồn nuôi AVR cũng chính là nguồn bị dao động. Trong các hệ thống phát điện lớn hơn hoặc các trường hợp phụ tải đặc biệt, người ta phải dùng một máy phát kích từ độc lập hoàn toàn với stator chính. Hiện nay do có các bộ vi xử lý PSS nên bộ AVR đã mở rộng tính năng và khả năng làm việc khắc phục được sự dao động.

3. Ưu nhược điểm của AVR kỹ thuật số

3.1 Ưu điểm của AVR kỹ thuật số:

Các tham số chỉnh định rất ổn định theo thời gian, dễ kiểm tra. Các loại AVR khác dễ bị thay đổi do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường (vì các bên trong bộ phận thường có lắp tụ điện). Không dùng các phần có chuyển động như động cơ, biến trở,... Nên không đòi hỏi bảo dưỡng, dùng rất ít dây đấu trên CPU. Bổ xung thêm các chức năng: Tự kiểm tra của CPU, tự ghi, kiểm tra tín hiệu xung trên CPU,…

3.2 Nhược điểm của AVR kỹ thuật số:

Không sửa chữa được khi có hư hỏng, phải thay mới. Chu kỳ thay đổi các thế hệ sản phẩm thường ngắn, do đó khi cần thay thể các phần tử gặp khó khăn thường là phải thay thế bằng sản phẩm mới. Các phần tử trong hệ thống thường nhậy cảm với sóng điện từ, sóng hài bậc cao, sóng rađiô do đó khi vận hành cần phải chú ý đến những ảnh hưởng này và phải tìm cách ngăn chặn. Cần phải có dự phòng cho RAM (Random Acess Memory) để bảo đảm cho bộ nhớ có đủ không gian truy cập. Hệ thống này dễ dàng chỉnh định trên máy tính do đó cần phải chú ý đến việc bảo mật password sau khi chỉnh định.

Có 5 hệ thống AVR kỹ thuật số được sử dụng trong nhà máy phát điện (hinhf11). Cụ thể là:

a. Phương thức đơn được áp dụng cho các hệ thống không đòi hỏi xử lý ngay cả khi có hư hỏng xảy ra.

b. Phương thức song công đồng bộ là phương thức có hai hệ thống CPUcùng song song hoạt động. Hai đầu ra được kiểm tra lẫn nhau và được gửi đến PIO.

Với chức năng tự giám sát, khi có một trong 2 CPU bị hư hỏng sẽ được phát hiện kịp thời, CPU chủ và con được thay đổi để tạo ra tín hiệu đầu ra chính xác. Nếu vì một lý do nào đấy sự hư hỏng không phát hiện được thì đầu ra của hệ thống sẽ báo và kết quả tính toán sẽ được giữ lại.

c. Phương thức song công cân bằng là phương thức sử dụng hai CPU cùng hoạt động song song, một CPU làm việc và một CPU dự phòng. Nếu một CPU gặp sự cố thì CPU dự phòng sẽ được đưa vào thay thế. Nhưng do PIO là hệ thống đơn nên phương thức này không đòi hỏi PIO có độ tin cậy cao. Phương thức này không thích hợp với các hệ thống có yêu cầu điều khiển nhanh.

d. Phương thức song công dự trữ cao là phương thức sử dụng hai hệ thống CPU và PIO cùng hoạt động song song. Phương thức này ứng dụng cho hệ thống có yêu cầu điều khiển nhanh.

e. Phương thức song công dự trữ cao là phương thức sử dụng nhiều hệ thống CPU và PIO cùng hoạt động song song. Phương thức này ứng dụng cho hệ thống có yêu cầu điều khiển nhanh hơn, an toàn hơn.

4. Bộ AVR phản ứng nhanh:

Loại AVR phản ứng nhanh được trang bị thêm PSS cho phép hãm lại sự dao động quá độ của hệ thống điện. PSS là một thiết bị quan trọng của bộ AVR dùng trong các máy phát điện có công suất lớn, đường dây truyền tải điện có chiều dài lớn. PSS là một thiết bị hỗ trợ cho bộ AVR để tạo ra khả năng kích từ phản ứng nhanh hoặc rất nhanh (hình 12)

Khi có sự cố trong hệ thống điện công suất và điện áp của máy phát bị dao động. Lúc đó AVR “loại phản ứng nhanh” sẽ xảy ra tình trạng tín hiệu đầu ra ngược pha với dao động điện áp vì AVR tác động quá nhanh. Nhưng sức điện động cảm ứng bên trong lại bị trễ pha 900 do thành phần điện kháng của mạch kích thích lớn. Điện áp đầu cực giảm khi góc pha giữa sức điện động cảm ứng bên trong và tải tăng lên. Như vậy khi AVR tác động lại làm giảm công suất của máy phát mặc dù tốc độ quay của máy phát được tăng cưỡng bức do dao động công suất.

5. Bộ ổn định - PSS

Nhiệm vụ của PSS là ước lượng dao động Dd(t) gửi tín hiệu điện áp UPSS tác động lên mạch kích từ để tạo ra một thành phần mô men điện từ dập dao động đó. Thay vì phải đo trực tiếp góc tải, người ta thường đo biến thiên tốc độ rotor Dw(t) và/hoặc công suất điện máy phát Pe(t) đẳng trị với Dd(t) rồi lấy hai tín hiệu đó để làm đầu vào cho PSS. Để cải thiện sự tắt dần các dao động, PSS phải tạo ra thành phần mô men điện cùng pha với sai lệch tốc độ rotor Dw. Hơn nữa, PSS phải có mạch bù pha thích hợp để bù vào sự trễ pha giữa đầu vào kích từ và đầu ra mô men điện từ. PSS chia ra:

- PSS1A đây là loại có một đầu vào như sai lệch tốc độ Dw, sai lệch tần số Df , công suất điện Pe ;

- PSS đầu vào kép, thường là sai lệch tốc độ Dw và công suất điện Pe (PSS2A, PSS2B, PSS3B và PSS4B).  

Khi chỉnh định hợp lý (bù góc pha) thì PSS có thể nâng được hệ số tổng của mô men dư (dumping) D*. Hệ số tổng của mômen dư (dumping) tăng theo chiều dương có tác dụng ổn định hoạt động của máy phát (hình 14).

AVR “loại phản ứng nhanh” có khả năng tăng ổn định trong quá trình quá độ của máy phát khi xuất hiện sự cố trong hệ thống. PSS có vai trò tăng cường sự ổn định tĩnh của máy phát chống lại sự dao động của hệ thống điện sau khi sự cố, bù mô men dư (dumping) do AVR sinh ra. Sự phối hợp của AVR phản ứng nhanh và PSS sẽ duy trì được sự ổn định điện áp trên các đầu cực của máy phát.

Hệ thống kích từ dùng chỉnh lưu có điều khiển hiện nay được dùng trong các nhà máy phát điện, nó không ngừng được cải tiến nâng cấp có kết cấu cực nhỏ gọn, góp phần hiện đại hóa nhà máy điện.

Nếu bạn muốn tìm hiểu về các sản phẩm tự động hóa, hãy liên hệ với chúng tôi. Với phương châm làm việc chuyên nghiệp, tận tâm, Bảo An Automation luôn cam kết mang tới cho khách hàng sản phẩm với chất lượng tốt nhất, giá thành hợp lý và đảm bảo giao hàng đúng tiến độ.