Đối với các hệ thống điện quy mô lớn, việc vận hành 1 máy phát điện dự phòng đôi khi không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng khi điện lưới gặp sự cố. Cùng với đó, việc cấu hình các máy phát điện chạy độc lập khá phức tạp và tốn nhiên liệu. Lúc này, tủ hòa đồng bộ được sử dụng để đưa các máy phát vận hành riêng rẽ vào làm việc song song, nhằm cung cấp nguồn điện ổn định và liên tục cấp cho phụ tải. Vậy tủ hòa đồng bộ là gì? Loại tủ này có phương pháp vận hành như thế nào? Bạn có thể tìm hiểu trong bài viết sau của chúng tôi.
Tủ hòa đồng bộ là gì?
Hòa đồng bộ là phương pháp mắc song song 2 hoặc nhiều máy phát điện, đặt chung dưới một mạng lưới điện nhằm đảm bảo các máy phát có tốc độ quay và điện áp cân bằng để cung cấp nguồn điện ổn định và liên tục trong trường hợp nguồn điện chính bị mất hoặc xảy ra sự cố trên lưới. Hòa đồng bộ cần có tủ hòa đồng bộ để kết nối và vận hành song song các tổ máy phát điện lên lưới điện truyền tải trung thế và cao thế. Đây là tủ điện chuyên dụng có khả năng tự động điều chỉnh tốc độ, điện áp và phân bổ tải, cho phép các máy phát điện có thể đồng thời làm việc mà không gây nhiễu lưới điện hay hư hỏng thiết bị.
Trong các nhà máy điện, máy phát chỉ có thể cung cấp điện cho hệ thống khi các thông số điện áp, tần số trùng khớp với điện lưới. Do đó, việc hòa đồng bộ được thực hiện bằng cách điều chỉnh dòng kích từ và tốc độ của tuabin máy phát điện. Tùy theo yêu cầu mà tủ hòa đồng bộ sẽ được vận hành theo cách tự động hoặc điều khiển bằng tay trong trường hợp dự phòng.
Nguyên tắc chung khi tiến hành hòa đồng bộ máy phát điện là cần trang bị thêm máy dự phòng. Ví dụ, hệ thống cần 3 máy phát để hòa đồng bộ nhưng thực tế, số lượng máy cần chuẩn bị phải là 4. Máy số 4 thường đặt ở chế độ chờ và sẽ sẵn sàng thay thế khi 1 trong 3 máy chính gặp sự cố.
Hòa đồng bộ là phương pháp yêu cầu cao về mặt kỹ thuật, tính chuyên nghiệp trong quá trình vận hành, bảo trì cũng như mức chi phí đầu tư đắt đỏ. Vì vậy, cần xác định rõ nhu cầu dự phòng nguồn điện của hệ thống để lựa chọn được phương pháp phù hợp: hoặc là chạy song song các máy phát điện theo phương pháp hòa đồng bộ, hoặc là thiết kế thêm một nguồn điện phụ song song với lưới.
Thông thường, bạn chỉ nên tiến hành hòa đồng bộ máy phát trong các trường hợp như sau:
- Khi công suất thực tế của máy móc, thiết bị lớn hơn công suất của tổ máy phát điện.
- Khi phụ tải thay đổi làm phát sinh chi phí nhiên liệu và chi phí này lớn hơn phí đầu tư cho tủ hòa đồng bộ.
- Khi đã có sẵn một máy phát và muốn mở rộng công suất của hệ thống điện dự phòng hoặc nếu nhu cầu sử dụng điện cho sản xuất tăng lên thì việc lắp song song thêm 1 hoặc vài máy phát khác là giải pháp tối ưu nhất so với đầu tư thêm máy phát điện mới có công suất cao hơn.
- Khi hệ thống máy móc, thiết bị cần hoạt động liên tục 24/7 để đáp ứng giai đoạn sản xuất cao điểm và việc chuyển tải từ máy phát này sang máy phát khác có thể gây thiệt hại kinh tế.
Cấu tạo của tủ hòa đồng bộ
Về cấu tạo, tủ hòa đồng bộ được thiết kế theo dạng module để thuận tiện cho việc mở rộng và nâng công suất, đồng thời phân biệt rõ ràng giữa ngăn điều khiển tổng và các máy phát độc lập. Trong đó, 2 nhóm thiết bị chính trong tủ hòa đồng bộ gồm có bộ điều khiển hòa đồng bộ và các ngăn tủ điều khiển máy phát.
- Bộ điều khiển hòa đồng bộ: Đây là “bộ não” của tủ hòa đồng bộ, chịu trách nhiệm tự động điều chỉnh tần số và điện áp của máy phát điện, cũng như giám sát các thông số khác.
- Ngăn tủ máy phát: Gồm 1 ngăn tủ điều khiển chính và các ngăn điều khiển độc lập cho từng máy phát điện. Mỗi ngăn máy phát lại chứa các nhóm thiết bị như máy cắt (ACB/MCC), rơ le bảo vệ và thiết bị đo lường.
Ngoài ra, tủ hòa đồng bộ còn được tích hợp các chức năng thông minh như giám sát, cảnh báo, hiển thị qua màn hình LCD, tín hiệu đèn, còi báo… tạo điều kiện để người vận hành dễ dàng quản lý thông qua máy tính đấu dây trực tiếp hoặc mạng LAN (quản lý từ xa).
Chức năng của tủ hòa đồng bộ
Tủ hòa đồng bộ đảm nhận chức năng chính là đưa hai hoặc nhiều máy phát điện hoạt động độc lập vào làm việc chung trong một hệ thống đồng nhất, góp phần nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện và tiết kiệm nhiên liệu.
Cụ thể, chức năng của tủ hòa đồng bộ được thể hiện:
- Xác định chính xác thời điểm hòa đồng bộ để tự khởi động máy phát trong trường hợp hệ thống mất điện, quá tải, sụt áp trên lưới.
- Điều khiển quá trình chia tải cho các máy phát điện, đồng thời tự động điều chỉnh số lượng máy phát điện khởi động theo công suất yêu cầu.
- Cân bằng điện áp, tần số của các máy phát.
- Ra lệnh thiết bị tự động đóng cắt để đóng ngắt máy phát khi cần thiết.
- Cảnh báo và bảo vệ hệ thống trước quá tải, quá áp, quá dòng, dòng rò…
- Giám sát và theo dõi các thông số như dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất.
- Bảo vệ tuabin máy phát khi động cơ không khởi động được, vượt tốc, quá nhiệt.
- Điều khiển từ xa, lưu trữ và phân tích dữ liệu.
Cơ chế vận hành tủ hòa đồng bộ như thế nào?
Tủ hòa đồng bộ hiện nay đang sở hữu 3 cơ chế vận hành là Auto, Man và Off, đảm bảo quá trình hoạt động linh hoạt và thuận tiện cho công tác kiểm tra, bảo trì.
- AUTO - Chế độ tự động: Ở chế độ này, tủ hòa đồng bộ sẽ tự khởi động máy phát, hòa đồng bộ và chia tải cho các máy phát, sau đó sẽ tự dừng và chuyển sang nguồn lưới để cấp cho phụ tải.
- MAN - Chế độ thủ công: Người vận hành sẽ tiến hành điều khiển việc đóng ngắt nguồn điện cấp cho tải bằng tay thông qua hệ thống nút nhấn. Quá trình hòa đồng bộ thực hiện bằng đồng hồ hòa đồng bộ có relay kiểm tra. Việc chia tải được thực hiện bằng cách điều chỉnh các biến trở.
- OFF - Chế độ dừng: Hệ thống sẽ ngừng toàn bộ hoạt động của máy phát hoặc quá trình hòa đồng bộ, cho phép kiểm tra, bảo trì, bảo dưỡng.
Ngoài 3 chế độ chính trên, một số tủ hòa đồng bộ còn hỗ trợ chế độ bán tự động (SEMIAUTO), tức là người vận hành chịu trách nhiệm khởi động máy phát điện bằng tay, sau đó quá trình hòa đồng bộ sẽ diễn ra tự động. Chỉ khi quá trình hòa đồng bộ hoàn tất một chu trình, hệ thống mới cho phép khởi động thủ công máy phát tiếp theo.
Đặc biệt, tất cả trạng thái hoạt động, sự cố hệ thống đều được hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD hoặc tín hiệu đèn LED ở mặt ngoài của tủ hòa đồng bộ.
Các phương pháp hòa đồng bộ phổ biến
Có 2 phương pháp hòa đồng bộ phổ biến là hòa tự động và hòa chính xác.
Hòa đồng bộ tự động
Để tiến hành phương pháp này, cần đảm bảo máy phát điện không được kích từ hoặc phải được ngắt khỏi hệ thống bằng aptomat khử từ. Trong quá trình hòa đồng bộ, tốc độ góc của các máy phát trong cùng hệ thống phải xấp xỉ nhau và khi đóng 1 tổ máy làm việc song song, các tổ máy còn lại không được kích từ.
Lợi ích của việc hòa đồng bộ tự động:
- Chỉnh định được khoảng cho phép hòa đồng bộ, trong đó sai biệt về tần số khoảng ± 0,1 - 0,25 Hz, sai biệt về góc lệch pha khoảng ± 2 - 20 DEG, sai biệt về điện áp khoảng ± 1 - 15%.
- Chỉnh được tần số và độ lợi pha.
- Hiển thị rõ các trạng thái: cho phép hòa đồng bộ, sai biệt về điện áp, tần số… qua hệ thống đèn LED.
Hòa đồng bộ chính xác
Việc hòa đồng bộ chính xác phải đảm bảo độ lệch điện áp giữa các tổ máy đạt giá 0, thực hiện theo 3 bước thủ công sau:
- 1 - Điều chỉnh điện áp của máy phát (UF) cho phù hợp với điện áp mạng (UHT).
- 2 - Điều chỉnh tốc độ quay của máy phát (wF) lớn hơn tốc độ góc của mạng (wHT).
- 3 - Điều chỉnh góc pha của vector điện áp máy phát bằng với điện áp mạng ở thời điểm đóng máy cắt. Lúc này, góc lệch pha tiêu chuẩn giữa 2 vector điện áp là d >> 0.
Phương pháp hòa đồng bộ chính xác điển hình là: trước khi đóng 1 máy phát làm việc song song với các tổ máy phát khác, máy này phải được kích từ. Đến khi tốc độ quay và điện áp của máy phát đó và các máy còn lại trong hệ thống có giá trị xấp xỉ nhau, mới có thể đóng máy phát.
Điều kiện để hòa đồng bộ
Điều kiện hòa đồng bộ tiêu chuẩn
Có 3 điều kiện tiêu chuẩn để các máy phát điện vận hành song song với nhau:
- 1 - Điện áp của các máy phát bằng nhau, trong đó độ sai lệch điện áp ≤ 5%. Thường điện áp máy phát sẽ được điều chỉnh ≥ điện áp lưới để khi đóng điện, công suất máy phát sẽ > 0.
- 2 - Tần số máy phát điện phải bằng nhau để tránh việc chia tải không đều, có thể khiến các máy phát hư hỏng.
- 3 - Thứ tự pha giữa các máy phát phải giống nhau, để hạn chế hiện tượng ngắn mạch khi hòa đồng bộ.
Ngoài 3 điều kiện bắt buộc, bạn có thể trang bị thêm 2 loại thiết bị: thiết bị điều chỉnh điện áp/tần số (AVR máy phát điện) để hỗ trợ điều chỉnh chia tải và thiết bị đo lường, bảo vệ cho từng tổ máy phát.
Thời điểm thích hợp hòa đồng bộ
Thời điểm hòa đồng bộ thích hợp là thời điểm đóng các thiết bị đóng ngắt để đưa các máy phát độc lập vào vận hành song song trong cùng hệ thống.
Thời điểm này chỉ xảy ra khi có đủ 2 điều kiện:
- Hệ thống có cùng điện áp, tần số, thứ tự pha.
- Hai hệ thống có cùng pha do độ lệch pha tại thời điểm đóng cắt có ảnh hưởng trực tiếp đến độ lớn của hệ thống điện.
Ứng dụng của tủ hòa đồng bộ
Tủ hòa đồng bộ được sử dụng để tích hợp 2 hoặc nhiều máy phát điện có công suất khác nhau vào chung một hệ thống, đảm bảo cung cấp nguồn điện dự phòng liên tục và ổn định theo công suất yêu cầu cho một công trình, khu vực quy mô lớn.
Với vai trò quan trọng như vậy, tủ hòa đồng bộ được lắp đặt rộng rãi tại các nhà máy, khu công nghiệp, công xưởng, trung tâm thương mại, tòa cao ốc, khu vui chơi giải trí… đặc biệt là tại những nơi yêu cầu cao về tính liên tục của nguồn điện như bệnh viện, sân bay, bến cảng, trung tâm dữ liệu hoặc những nơi thường xuyên gặp sự cố mất điện đột ngột.
Câu hỏi thường gặp về tủ hòa đồng bộ
Câu hỏi 1: Mục đích sử dụng tủ hòa đồng bộ là gì?
Trả lời: Tủ hòa đồng bộ được sử dụng để tăng độ tin cậy của nguồn cấp điện dự phòng, tối ưu hóa việc dùng nhiên liệu và cung cấp nguồn điện liên tục cho các ứng dụng sản xuất - sinh hoạt quan trọng.
Câu hỏi 2: Điều gì sẽ xảy ra khi việc hòa đồng bộ thất bại?
Trả lời: Nếu việc hòa đồng bộ máy phát điện thực hiện không chính xác, có thể xảy ra các trường hợp:
- Máy phát điện hỏng hóc do ứng suất cơ học hoặc dòng điện quá tải.
- Gây nhiễu hệ thống điện.
- Máy phát điện bị ngắt khi rơ le bảo vệ xác định máy phát điện chạy trong điều kiện không bình thường.
Câu hỏi 3: Lợi ích của tủ hòa đồng bộ so với chạy máy phát điện riêng lẻ là gì?
Trả lời: Việc hòa đồng bộ cho khả năng mở rộng công suất dễ dàng hơn khi đã có sẵn 1 máy phát điện, giúp quản lý tập trung việc chia tải từ một vị trí, tối ưu việc sử dụng nhiên liệu, đặc biệt việc hòa đồng bộ được xác định là kinh tế và tiết kiệm hơn việc đầu tư thêm các máy phát điện mới hoạt động riêng lẻ.
Câu hỏi 4: Có thể hòa đồng bộ với lưới điện không?
Trả lời: Có. Tủ hòa đồng bộ được thiết kế để hòa các máy phát với lưới điện khi lưới gặp sự cố.
Các kiến thức khác liên quan đến tủ điện, bạn có thể tìm hiểu thêm tại: https://etinco.vn/tin-tuc/kien-thuc/kien-thuc-tu-dien/
