Bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR

Nguyên lý, tác dụng của bộ tự động điều chỉnh điện áp, tần số tự động  (Automatic Voltage Regulator AVR)  trong các máy phát điện

1.Tính năng, tác dụng của AVR

 • Điều chỉnh điện áp máy phát điện.
• Giới hạn tỷ số điện áp/tần số.
• Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện.
• Bù trừ điện áp suy giàm trên đường dây.
• Tạo độ suy giảm điện áp theo công suất vô công, đề cân bằng sự phân phối công suất vô công giữa các máy với nhau trong hệ thống khi máy vận hành nối lưới.
• Khống chế dòng điện kháng do thiếu kích thích, nhằm tạo sự ổn định cho hệ thống, khi máy nối lưới.
• Cường hành kích thích khi có sự cố trên lưới

 a. Điều chỉnh điện áp của máy phát điện

 Bộ điều chỉnh điện thế tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện, và so sánh nó 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. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, người ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu thường được đặt tại giá trị định mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated) hoặc là điện áp thanh cái, điện áp lưới tại chế độ vận hành hòa lưới (Paralled) 

 b. Giới hạn tỷ số điện áp/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. Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp tham chiếu.

 C. Điều khiển công suất vô công của máy phát điện

Khi máy phát chưa phát điện vào lưới, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ thay đổi điện áp đầu cực máy phát. Quan hệ giữa điện áp máy phát đối với dòng điện kích từ được biểu diễn bằng 1 đường cong, gọi là đặc tuyến không tải. (đặc tuyến V-A)
Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào một lưới có công suất rất lớn so với máy phát, việc tăng giảm dòng kích thích hầu như không làm thay đổi điện áp lưới. Tác dụng của bộ điều áp khi đó không còn là điều khiển điện áp máy phát nữa, mà là điều khiển dòng công suất phản kháng (còn gọi là công suất vô công, công suất ảo) của máy phát.
Khi dòng kích thích tăng, công suất vô công tăng. Khi dòng kích thích giảm, công suất vô công giảm. Dỏng kích thích giảm đến một mức độ nào đó, công suất vô công của máy sẽ giảm xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại (chiều âm), nếu dòng kích thích tiếp tục giảm thêm.
Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát quá nhạy, có thể dẫn đến sự thay đổi rất lớn công suất vô công của máy phát khi điện áp lưới dao động.
Do đó, bộ điều khiển điện áp tự động, ngoài việc theo dõi và điều khiển điện áp, còn phải theo dõi và điều khiển dòng điện vô công. Thực chất của việc điều khiển này 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.

d. Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây

Khi máy phát điện vận hành độc lập, hoặc nối vào lưới bằng 1 trở kháng lớn, Khi tăng tải, sẽ gây ra sụt áp trên đường dây. Sụt áp này làm cho điện áp tại hộ tiêu thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng.
Muốn giảm bớt tác hại này của hệ thống, 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 đáp tại một điểm nào đó, giữa máy phát và hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải. Điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm đôi chút so với tải, trong khi điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đôi chút so với tải. Để có dược tác động này, người ta đưa thêm 1 tín hiệu dòng điện vào trong mạch đo lường. Dòng điện của 1 pha (thường là pha B) từ thứ cấp của biến dòng đo lường sẽ được chảy qua một mạch điện R và L, tạo ra các sụt áp tương ứng với sụt áp trên R và L của đường dây từ máy phát đến điểm mà ta muốn giữ ổn định điện áp.
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.
Như vậy chiều đấu nối này làm cho điện áp máy phát sẽ tăng nhẹ khi tăng tải. Độ tăng tương đối được tính trên tỷ số giữa độ tăng phần trăm của điện áp máy phát khi dòng điện tăng từ 0 đến dòng định mức.
Thí dụ khi dòng điện máy phát =0, thì điện áp máy phát là 100%. Khi dòng điện máy phát = dòng định mức, điện áp máy phát là 104% điện áp định mức.
Vậy độ tăng tương đối là + 4%. Độ tăng này còn gọi là độ bù (compensation). 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 (AVR- Automatic Voltage Regulator).

2. Giới thiệu các loại bộ tự động điều chỉnh điện áp

Mỗi hệ thống kích từ của máy phát được trang bị một bộ tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Bộ AVR được đấu nối với các biến điện áp một pha ll0V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng cắt máy phát. Bộ AVR đáp ứng được thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát và không phụ thuộc vào tần số. Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số, 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 hằng số hệ số công suất và hằng số dòng điện trường.
Một bộ cài đặt điện áp được sử dụng, thiết bị này thích hợp với việc vận hành bằng tay tại tủ điều chỉnh điện áp và tại 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.
Bộ AVR cùng với trang thiết bị phụ được đặt trong tủ độc lập trên sàn máy phát, phù hợp với các tủ khác của hệ thống kích từ. Tất cả trang thiết bị cho vận hành và điều khiển được lắp trên mặt trước của tủ.
Các mạch tổ hợp được thiết kế với độ tin cậy lớn nhất có thể và có kết cấu dự phòng phù hợp để sự cố ở một vài phần tử điều khiển sẽ không làm hệ thống kích từ gặp nguy hiểm hay không vận hành. Tất cả các bộ phận sẽ phù hợp với điều kiện làm việc liên tục và dài hạn dưới điều kiện nhiệt độ 00C-700C và độ ẩm tới 95%.
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 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).
Bộ AVR cơ bản gồm có một vòng lặp điều chỉnh áp bằng các tín hiệu tích phân tải để đạt được sự ổn định tạm thời và ổn định động. 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 1s để cho phép 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 tổ máy để phân bố tải giữa các máy phát.

Bộ điều khiển tự động bán dẫn hoặc kỹ thuật số

Ngày nay, bộ điều khiển thường cấu tạo trên kỹ thuật số-vi xử lý. Màn hình cảm ứng (Touch-screen) được kết nối để có thể cài đặt tham số, thuật toán điều khiển bvà đo lường các giá trị tức thời. Một số bộ điều tốc cho các máy phát cớ lớn (>15MW) bộ điều khiển có thể kết nối đến hệ thống giám sát SCADA trong nhà máy để giám sát các thông số tức thời, biểu đồ vận hành quá khứ (trent) hoặc các sự kiện bởi các giao thức và mạng thông tin phổ thông hoặc chuyên biệt của nhà sản xuất (Modbus, CAN bus,...)

Bộ điều chỉnh điện áp bằng tay

Bộ điều chỉnh điện áp bằng tay có khả năng điều chỉnh góc mở thyristor bằng một mạch độc lập. Để chỉ báo sự khác nhau giữa điều khiển bằng tay và điều khiển tự động, sẽ trang bị một mạch cân bằng. Trong trường hợp bộ điều chỉnh tự động gặp sự cố thì điều chỉnh bằng tay phải sẵn sàng để tổ máy tiếp tục vận hành. Một mạch chuyển tiếp phải được cung cấp để cho phép chuyển từ chế độ tự động sang chế độ bằng tay mà không có sự thay đổi nào cho bộ kích từ.
Các thiết bị phục vụ điều khiển bằng tay được cung cấp cho mỗi hệ thống kích từ máy phát. Trang thiết bị khóa chế độ, chuyển mạch được thiết kế cho tủ kích từ tại các tủ điều khiển tổ máy tại chỗ và tại phòng điều khiển để có thể chọn lựa chế độ vận hành của hệ thống kích từ là tự động điều chỉnh điện áp (AVR) hoặc diều chỉnh bằng tay.
Một bộ điều khiển chuyển tiếp cũng phải được thiết kế để chuyển tiếp điều khiển kích từ từ chế độ AVR sang chế độ điều chỉnh bằng tay trong trường hợp mất tín hiệu từ một vài thiết bị đo áp hoặc nguồn vận hành DC, AC của hệ thống AVR. Bộ phát hiện tín hiệu áp xoay chiều sẽ phân biệt được giữa sự cố của mạch áp thứ cấp (đứt mạch, mất pha..) hoặc sự sụt áp của mạch sơ cấp gây ra bởi các sự cố ngắn mạch.
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 sao cho không có sự thay đổi về dòng kích từ nào xảy ra khi chuyển từ chế độ AVR sang điều khiển bằng tay hoặc do chọn chế độ vận hành hoặc do bộ điều khiển chuyển tiếp tác động.