Hướng dẫn hoà đồng bộ 2 máy phát điện chi tiết

Hòa đồng bộ hai hoặc nhiều máy phát điện là một phương pháp kết nối song song các máy phát điện để cung cấp nguồn điện lớn hơn khi nhu cầu tăng cao, vượt quá khả năng của một máy phát đơn lẻ. Kỹ thuật này đòi hỏi kiến thức chuyên môn, hiểu rõ nguyên tắc, quy trình đồng bộ và cách sử dụng tại từng trạm phát điện. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về đồng bộ máy phát điện qua bài viết sau.

I. Tổng Quan Về Đồng Bộ Máy Phát Điện

1. Định Nghĩa

Đồng bộ máy phát điện, còn gọi là hòa đồng bộ, là kỹ thuật kết nối song song hai hoặc nhiều máy phát điện vào cùng một mạng lưới điện. Để đồng bộ thành công, các máy phát phải có tốc độ quay và điện áp tương đương nhau.

Máy phát điện không thể cấp điện cho lưới điện nếu điện áp, tần số và các thông số khác không khớp chính xác. Quá trình đồng bộ đòi hỏi điều chỉnh dòng kích từ và tốc độ động cơ của máy phát điện.

Nhu cầu đồng bộ hóa phát sinh khi cần kết hợp hai hoặc nhiều máy phát điện để đáp ứng tải lớn hơn.

Việc đồng bộ máy phát điện đòi hỏi kỹ năng chuyên môn và kinh nghiệm trong vận hành và bảo trì. Do đó, cần xác định rõ nhu cầu để lựa chọn giải pháp phù hợp: máy phát điện song song hoặc máy phát điện song song với lưới điện.

Trong hệ thống đồng bộ, ví dụ với 4 máy hoạt động, thường có thêm một máy thứ 5 ở chế độ chờ sẵn sàng. Máy này sẽ tự động kích hoạt khi một trong 4 máy chính gặp sự cố.

2. Vai Trò Của Đồng Bộ

Đồng bộ máy phát điện đảm nhận nhiều vai trò quan trọng:

1. Nhận diện thời điểm thích hợp để đồng bộ.
2. Điều khiển các thiết bị đóng cắt tự động (đóng khi điều kiện phù hợp, cắt khi có nguy cơ).
3. Bảo vệ máy phát và hệ thống (chống quá dòng và công suất ngược).
4. Điều tiết sự phân chia tải giữa các máy phát.

3. Khi Nào Cần Đồng Bộ Máy Phát Điện?

Mặc dù quy trình đồng bộ khá phức tạp, bạn nên cân nhắc thực hiện nếu gặp các vấn đề sau:

1. Tổng công suất cần thiết cho máy móc, thiết bị vượt quá công suất của một máy phát đơn lẻ.
2. Phụ tải tăng hoặc thay đổi lớn, dẫn đến chi phí nhiên liệu tăng cao. Nếu chi phí này lớn hơn chi phí đầu tư cho đồng bộ, thì nên thực hiện.
3. Hoạt động sản xuất yêu cầu máy móc hoạt động liên tục 24/7, và bạn muốn tránh gián đoạn sản xuất do chuyển tải giữa các máy phát.
4. Nhu cầu sử dụng điện tăng trong sản xuất. Khi đã có một máy phát, việc thêm một hoặc nhiều máy song song là giải pháp tối ưu, thường tiết kiệm hơn so với mua một máy mới có công suất lớn hơn.

II. Các Yêu Cầu Để Đồng Bộ Máy Phát Điện

1. Các Điều Kiện Bắt Buộc

Để các máy phát điện hoạt động song song, cần đảm bảo 3 điều kiện sau:

1. Điện áp: Các máy phát phải có điện áp bằng nhau, với sai lệch không quá 5%. Thông thường, điện áp máy phát được điều chỉnh bằng hoặc cao hơn một chút so với điện áp lưới để khi đóng, máy phát có công suất nhỉnh hơn. Có thể điều chỉnh chính xác để điện áp máy phát bằng điện áp lưới.
2. Tần số: Tần số của các máy phát phải giống nhau. Nếu khác nhau, việc phân chia tải sẽ không đều, gây hỏng máy phát.
3. Thứ tự pha: Đây là yếu tố cực kỳ quan trọng, cần được đảm bảo chính xác tuyệt đối. Thứ tự pha thường được kiểm tra một lần trước khi lắp đặt và ít khi phải điều chỉnh lại, trừ khi có tháo lắp lớn.

Ngoài ra, để tăng độ an toàn và hiệu quả, nên trang bị thêm:

1. Thiết bị điều chỉnh điện áp và tần số (AVR) để hỗ trợ phân chia tải.
2. Thiết bị đo lường và bảo vệ cho từng tổ máy phát điện.

2. Thời Điểm Thích Hợp Để Hòa Đồng Bộ

Thời điểm hòa đồng bộ là lúc đóng các thiết bị đóng cắt, cho phép các máy đang hoạt động riêng rẽ kết nối song song.

Thời điểm này phải đáp ứng các điều kiện sau:

1. Hệ thống phải có cùng điện áp, tần số và thứ tự pha.
2. Hai hệ thống phải có cùng pha. Độ lệch pha tại thời điểm đóng cắt ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện.

3. Các Phương Pháp Kiểm Tra Điều Kiện Đồng Bộ

Tần số và điện áp có thể dễ dàng kiểm tra bằng các công cụ đo chuyên dụng. Tuy nhiên, điều kiện về pha đòi hỏi kiểm tra cẩn thận và nghiêm ngặt hơn để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

3.1. Kiểm Tra Đồng Vị Pha Máy Phát Điện

Khi đồng bộ, thứ tự pha là yếu tố tiên quyết, cần chính xác tuyệt đối. Chỉ cần một pha của máy phát có góc lệch so với pha tương ứng bằng 0 là đạt yêu cầu.

Đồng vị pha được xác định khi tốc độ quay và điện áp đạt định mức.

Do tần số lưới điện và máy phát luôn có sai lệch nhỏ, góc lệch pha cũng thay đổi liên tục. Do đó, thao tác đóng máy cắt có nhiều rủi ro do khó xác định chính xác góc pha, gây ra dòng điện lớn, thay đổi momen điện từ đột ngột, hỏng thiết bị và mất ổn định lưới điện.

Để đảm bảo đồng vị pha, cần đo lường chính xác và lắp rơle hòa đồng bộ hoặc rơle chống hòa sai trong mạch điều khiển.

3.2. Kiểm Tra Đồng Vị Pha Hệ Thống Lưới

Đối với hệ thống lưới mạch vòng, đồng vị pha được xác định từ khi thiết kế. Tuy nhiên, sai lệch về tần số và điện áp có thể làm thay đổi góc giữa hai đầu máy cắt. Việc đóng máy cắt trong trường hợp này có thể gây ảnh hưởng lớn đến hệ thống, gây quá tải ở một số điểm.

Với góc pha thay đổi liên tục, việc đóng máy cắt phải đáp ứng đầy đủ các điều kiện như máy phát điện, và thường khó hơn do tần số của một trong hai hệ thống không thể điều chỉnh tại chỗ. Để đảm bảo đồng vị pha, cần lắp rơle hòa đồng bộ hoặc rơle chống hòa sai trên máy cắt.

4. Các Thao Tác Hòa Đồng Bộ

Hiện nay, hầu hết các máy phát điện đều có hệ thống hòa đồng bộ tự động, giúp đơn giản hóa quy trình. Các thao tác thủ công dưới đây giúp làm rõ nguyên lý của đồng bộ máy phát điện.

4.1. Kiểm Tra Thứ Tự Pha

Đảm bảo thứ tự pha của cả hai phía là chính xác. Thực hiện như sau:

1. Sử dụng đồng hồ đo thứ tự pha.
2. Kiểm tra chiều quay của động cơ trên thanh cái khi dùng điện lưới. Sau đó, ngắt điện lưới, đóng máy phát và kiểm tra lại thứ tự pha.
3. Dùng Vôn kế kim đo điện áp khi chưa đồng bộ. Một cái đo điện áp giữa pha A của máy phát và pha A của lưới, một cái đo lần lượt giữa B máy phát – B lưới và C máy phát – C lưới. Khi máy phát chạy, các đồng hồ này sẽ đồng thời thay đổi từ 0 đến 2 lần Upha định mức. Nếu vậy, hai đầu của cầu dao đúng thứ tự pha.

Nếu không thay đổi đồng thời, đổi lại một đồng hồ đo A-A, đồng hồ còn lại đo B máy – C lưới hoặc C máy – B lưới. Nếu các đồng hồ này lên đồng thời tức là thứ tự của 2 pha đầu ngược nhau.

Sau khi hoàn tất kiểm tra, có thể đấu nối mạch mà không cần lo lắng về thứ tự pha.

4.2. Kiểm Tra Điện Áp

Sử dụng 2 Vôn kế lắp ở 2 đầu, hoặc một Vôn kế đo giữa pha A của máy và lưới. Khi điện thế xuống thấp nhất, tương ứng với góc lệch pha = 0. Nếu điện thế ở 2 đầu bằng nhau, đồng hồ sẽ hiển thị 0V, nếu có sai biệt thì trị số khác 0.

4.3. Kiểm Tra Tần Số

Tần số máy phát và tần số lưới có đồng hồ đo riêng. Tuy nhiên, để biết chính xác sự chênh lệch tần số, cần sử dụng các phương pháp sau:

1. Sử dụng đồng bộ kế: đo góc lệch pha giữa 2 nguồn điện. Kim đồng hồ đứng yên nếu 2 tần số bằng nhau, di chuyển nhanh hay chậm tùy theo độ chênh lệch.
2. Dựa vào đèn: lắp đèn và quan sát độ sáng tắt để xác định chênh lệch tần số. Tốc độ sáng tắt càng thấp, chênh lệch càng ít. Nên điều chỉnh độ lệch trong khoảng 0,2 đến 0,1 Hz, tương đương tốc độ chớp tắt 5 đến 10 giây.
3. Dựa vào hiệu ứng hoạt nghiệm: dùng đèn neon, đèn huỳnh quang hoặc đèn thủy ngân chiếu vào trục quay. Tùy độ lệch tần số, trục sẽ quay chậm hơn, dừng lại hoặc quay ngược chiều. Tuy nhiên, đây là phương pháp dựa trên kinh nghiệm, không khuyến khích.

4.4. Kiểm Tra Góc Lệch Pha

Nhận biết góc lệch pha bằng:

1. Vị trí kim của đồng bộ kế: Kim ở vị trí cao nhất khi góc pha = 0.
2. Độ sáng của đèn: Góc pha = 0 khi đèn tắt hẳn hoặc ánh sáng mờ nhất. Tuy nhiên, độ chính xác không cao do ảnh hưởng nhiệt từ dây tóc bóng đèn và khả năng phân biệt ánh sáng của mắt người.
3. Sử dụng Vôn kế để đo phách: trị số Vôn kế nhỏ nhất khi góc pha = 0.

Sau khi kiểm tra tất cả các điều kiện trên, chúng ta sẽ có:

1. U máy ≈ U lưới.
2. Tần số máy ≈ Tần số lưới (cao hơn).
3. Góc pha tiến dần đến 0.

5. Sơ Đồ Hòa Đồng Bộ Máy Phát Điện

Các sơ đồ hòa đồng bộ trong sách lý thuyết rất đơn giản; dùng đèn tối, đèn sáng, đèn quay hoặc thêm đồng hồ đo.

5.1. Hòa Đồng Bộ Máy Phát Điện Vào Thanh Cái

Sơ đồ hòa một máy phát vào thanh cái (đã lược bỏ các mạch không liên quan):

Trong hình, phía dưới nối vào 3 pha ABC của máy phát, phía trên nối vào ABC của thanh cái. Giả sử thanh cái máy phát và máy phát đều được đo lường bằng máy biến thế đo lường nối hình V/V.

Nối đất pha b phía thứ cấp của cả hai phía, nối a1, b1 vào một phía của cột đồng bộ, a2, b2 vào phía kia của cột đồng bộ, thì b1 và b2 được nối với nhau.

Khi máy phát đồng bộ:

1. Điện áp a1 bằng a2 (V1 = V2).
2. Tần số a1 bằng a2 (Hz1 = Hz2).
3. Góc pha a1 trùng a2 (SS chỉ 12 giờ).
4. 2 bóng đèn trên cột đồng bộ tắt.

Rơle đồng bộ có hai loại: rơle tự động đồng bộ và rơle kiểm soát đồng bộ (chống hòa sai). Khi 3 điều kiện trên thỏa mãn, rơle sẽ xuất lệnh đóng máy cắt.

5.2. Hòa Đồng Bộ Máy Phát Điện Vào Lưới Qua Máy Biến Áp

Hiện nay, ít khi người ta nối nhiều máy phát vào một thanh cái máy phát. Khuynh hướng chung là thiết kế hợp bộ máy phát – máy biến thế. Hình dưới đây cho thấy máy phát nối với máy biến thế lực qua máy cắt đầu cực.

Máy Biến Áp Đấu Nối Sao / Tam Giác 1 Giờ

Để tiết kiệm, ta không đặt bộ biến thế đo lường trung thế ở giữa máy cắt và máy biến thế mà sử dụng luôn bộ biến áp phía cao thế để so sánh.

Hình dưới là 1 biến thế sao tam giác 1 giờ. Máy phát được nối trực tiếp với máy biến áp, máy cắt đặt phía cao thế. Người ta sử dụng luôn biến thế đo lường của máy phát để so sánh.

Ưu điểm: tiết kiệm được một bộ biến áp đo lường (đắt tiền và tốn diện tích). Tuy nhiên, nảy sinh 2 vấn đề: pha và biên độ.

Về pha, máy biến áp lực thường có tổ đấu dây sao / tam giác 1 giờ hoặc 11 giờ, nghĩa là khi đồng bộ; điện áp phía cao thế và trung thế sẽ lệch nhau 30 độ. Do đó, phải lấy tín hiệu sao cho phù hợp.

Như hình trên, phía cao thế lấy điện áp a2-n, phía hạ thế lấy điện áp dây a1-b1. Cách lấy này sẽ bù trừ pha để điện áp thứ cấp đưa vào hệ thống hòa cũng đồng pha.

Về biên độ, do phía cao thế lấy điện thế pha nên bị suy giảm đi căn 3 lần. Hơn nữa, các tỷ số biến thế đo lường không hoàn toàn phối hợp với tỷ số biến thế lực. Do đó, cần sử dụng thêm một bộ biến thế đo lường phụ ở 1 trong 2 phía, thường đặt ở phía lấy điện thế pha và tăng thế lên cho đủ định mức rơle.

Máy Biến Áp Đấu Nối Sao / Tam Giác 11 Giờ

Tương tự như trên, điện thế phía cao thế được lấy điện thế pha; c2-n2, phía trung thế lấy điện áp dây c1-b1.​

III. Các Phương Pháp Thực Hiện Hòa Đồng Bộ

Có nhiều cách hòa đồng bộ máy điện và gọi tải khác nhau. Gọi tải là khi xảy ra thiếu tải, các máy khác sẽ gọi từng máy hoặc vài máy chạy để cung cấp đủ tải. Về hòa đồng bộ, hiện nay thường áp dụng phương thức hòa cho từng máy hoặc nhiều máy.

1. Hòa Đồng Bộ Chính Xác

Người thực hiện cần:

1. Đưa điện áp máy phát điện được đóng vào UF về trị số điện áp mạng UHT.
2. San bằng tốc độ góc quay của máy phát điện được đóng vào wF và tốc độ góc quay wHT (wF ≈ wHT).
3. Làm cho góc pha của vectơ điện áp máy phát và điện áp mạng bằng nhau vào lúc đóng máy cắt. Góc lệch pha giữa các vectơ điện áp máy phát và mạng là d ≈ 0.

Cách thực hiện: trước khi đóng song song với các tổ máy khác, máy phát phải được kích từ trước. Khi tốc độ quay và điện áp của máy đó và các máy khác gần bằng nhau, chọn thời điểm thuận lợi để đóng máy phát.

** Lưu ý: thời điểm đó phải đảm bảo độ lệch điện áp giữa các tổ máy phát điện gần bằng không để dòng điện cân bằng lúc đóng tổ máy có giá trị nhỏ nhất.*

2. Hòa Đồng Bộ Tự Động

Người thực hiện đóng máy phát điện bằng phương pháp hòa đồng bộ tự động cần:

1. Máy phát không được kích từ (kích từ đã được cắt ra bởi aptomat khử từ), phải lưu ý tốc độ quay.
2. Trong quá trình đồng bộ, tốc độ góc quay của máy phát đóng vào phải xấp xỉ bằng tốc độ góc quay của các máy phát đang làm việc trong cùng hệ thống.

Cách thực hiện: trước khi đóng song song với các tổ máy khác, máy phát chưa được kích từ. Khi tốc độ quay của máy phát đó gần bằng tốc độ góc quay của các máy phát khác, nó được đóng vào. Ngay sau đó, dòng kích từ sẽ được đưa vào roto, và máy phát sẽ được kéo vào làm việc đồng bộ.

IV. Hậu Quả Của Việc Đồng Bộ Lỗi

Nếu đồng bộ máy phát điện với hệ thống điện không chính xác, có thể gây ra:

1. Hư hỏng máy phát và động cơ do ứng suất cơ học gây ra bởi tăng/giảm tốc nhanh, cần phải đưa các khối lượng quay lại đồng bộ.
2. Hư hỏng máy phát và cửa sổ biến áp do dòng điện cao.
3. Gây nhiễu cho hệ thống điện, như dao động và điện áp lệch.
4. Máy phát không khởi động và nhận tải, rơle bảo vệ xác định máy phát chạy trong điều kiện không bình thường, có thể khiến máy phát bị ngắt.

Nếu cần thêm thông tin về đồng bộ máy phát điện, vui lòng liên hệ với chúng tôi. HME POWER cung cấp dịch vụ hòa đồng bộ máy phát điện với chi phí cạnh tranh.