kVAr กับการขนานเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
สวัสดีในเดือนสิงหาคมนะครับ วันนี้ขอนำเรื่องที่พบเจอในรอบ 3 เดือน ที่บังเอิญถึง 3 เหตุการณ์ ที่เกี่ยวกับการขนานเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามาเล่าสู่กันฟังนะครับ อาจมีบางกระทู้ที่ผมได้เคยพูดไว้บ้างแล้ว แต่วันนี้ขอหยิบยกมาขยายความซ้ำเพื่อความเข้าใจที่ชัดเจนขึ้นและหวังว่าน่าจะนำไปเป็นแนวทางที่เป็นประโยชน์กันได้ แน่นอนครับว่าพื้นฐานการขนานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ช่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะรู้กันดีอยู่แล้วว่า การขนานเบื้องต้นจะต้องมีเรื่องของลำดับเฟส ความถี่ และแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกันหรือใกล้เคียงกันมากที่สุดและต้องอยู่ในตำแหน่งที่มีเส้น Wave Form ทับกันพอดี หรือที่เรียกว่าสถานะ Inphase ถึงจะทำการสั่ง Close CB เข้าขนานกันไปได้ ปัจจุบันการขนานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าผ่านชุด Controller นั้นไม่ใช่เรื่องยุ่งยากอีกต่อไป เพราะ Controller เกือบทุกยี่ห้อได้มีการออกแบบมารองรับการขนานที่มีฟังชั่นป้องกันและยอมอนุญาติให้ทำการสั่งสับจ่ายได้อย่างแม่นยำผ่านรีเลย์ Code 25 ในตัว Controller แต่อย่างไรก็ดีหลังจากการ Close CB เข้าขนานไปแล้วไม่ว่าจะเป็นการขนานกับ Grid หรือขนานกับ Gen ด้วยกันเอง จำเป็นต้องมีการแบ่งภาระโหลดซึ่งกันและกันอย่างเหมาะสมหรือที่เรียกว่า Load Sharing ด้วยการควบคุมที่ระบบ Governor แต่ยังไม่จบแค่นั้นเนื่องจากว่าโหลดทางไฟฟ้าไม่ได้มีเพียงมิติเดียวที่มีหน่วยเป็น kW หรือ kVA แต่ยังจำเป็นต้องคำนึงถึง Load ที่อยู่ในรูปของการสูญเสียแอบแฝงอยู่ด้วยซึ่งก็คือ kVAr นั่นเอง โหลด kW, kVA และ kVAr ทั้ง 3 ตัวนี้จะแยกออกจากกันไม่ได้เนื่องจากมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันในรูปของ 3 เหลี่ยมทางเลขาคณิตที่มีเรื่องของมุมเข้ามาเกี่ยวข้อง ดังนั้นเราจะพูดถึงการแชร์แต่เพียงแค่ kW อย่างเดียวไม่ได้ จำเป็นต้องนำ kVA และ kVAr มาพิจารณาร่วมด้วยเพื่อให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่กำลังเดินขนานกันอยู่นั้นทำงานอยู่ในช่วงที่ปลอดภัยและมีสมรรถนะที่ดีที่สุด
เมื่อพิจารณาค่ามุมเฟสทางไฟฟ้าตามหลักตรีโกณมิติแล้ว ค่าสัดส่วนของ kVAr กับ kVA (นำมาหารกัน) จะมีค่าเท่ากับ cos(มุม°) ซึ่งก็คือค่า Power Factor ที่เรารู้จักกันดีนั่นเอง ปกติแล้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานจ่ายโหลดเพียงลำพังและไม่ได้มีการเดินขนานกัน ค่า Power Factor นั้นขึ้นอยู่กับประเภทของโหลดที่จ่ายอยู่นั้น แต่ถ้าเมื่อใดก็ตามที่มีการทำงานแบบเดินขนานจะส่งผลให้ค่า Power Factor นั้นไม่ได้ขึ้นกับโหลดแต่เพียงอย่างเดียวแต่จะเปลี่ยนแปลงไปได้ตามสภาวะการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละเครื่องที่กำลังเดินขนานกันอยู่ และเพื่อรักษาให้ค่า Power Factor ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละเครื่องอยู่ในบริเวณที่เหมาะสมจำเป็นต้องมีการพิจารณาการแชร์ kVAr เข้ามาเกี่ยวข้องในทันที เพราะการแชร์ค่า kVAr นั้นจะเป็นการแบ่งภาระที่อยู่ในรูปของการสูญเสียทางไฟฟ้าซึ่งกันและกันอย่างเหมาะสม ไม่มีการส่งถ่ายการสูญเสียพลังงานจากแหล่งหนึ่งไปอีกแหล่งหนึ่งหรือแม้กระทั่งจะเป็นการถ่าย kVAr ระหว่าง Genset กับ Grid ก็เช่นกัน เพราะถ้าเมื่อในก็ตามที่ Genset ตัวหนึ่ง มีการรับ kVAr เข้ามามากเกินไปอาจจะเป็นการทำงานที่เกินขอบเขตหรือข้อจำกัดได้ (พิจารณาได้จาก D-Curve ของ Alternator) และอาจทำให้ Alternator ของ Genset ชุดนั้นเกิดความเสียหายได้
…………………….
สรุปคือการขนานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจำเป็นต้องพิจารณาการแชร์ kVAr ร่วมด้วย การแชร์ kVAr กระทำได้โดยการปรับความสัมพันธ์ของการจ่ายกระแสไฟฟ้าควบคุมที่ระบบ Excitation ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่กำลังเดินขนานอยู่ การแชร์ kVAr นั้นสามารถกระทำได้ทั้งแบบอัตโนมัติหรือแบบปรับด้วยมือก็ได้ การปรับด้วยมือนั้นกระทำได้โดยการปรับเพิ่มลดกระแส Excitation ที่ AVR ส่วนการแชร์แบบอัตโนมัตินั้นเป็นหน้าที่ของตัว Controller ที่จะเป็นตัวจับสัญญาณของแรงดันกับกระแสไฟฟ้า เพื่อนำมาประมวลผลเป็นค่ามุมเฟสระหว่างแรงดันกับกระแสว่าขณะนี้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่กำลังขนานอยู่จ่ายโหลดในลักษณะใด และจำเป็นต้องรับรู้ค่าจากเครื่องอื่นหรือ Grid ที่กำลังขนานกันอยู่ด้วย เพื่อนำมาคำนวนค่าการแชร์ kVAr ระหว่างกันได้อย่างเหมาะสม ด้วยการสั่งการไปที่ AVR กรณีการปรับการแชร์ด้วยมือส่วนใหญ่จะเป็นระบบที่ถูกออกแบบมาสำหรับการเดินขนานแบบ Manual ที่ฉาบฉวย โดยมักจะใช้ผู้เดินเครื่องที่มีความชำนาญเป็นผู้ปฏิบัติเพราะถือว่ามีความเสี่ยงค่อนข้างสูง กรณีการขนานในลักษณะนี้ค่า Droop ของการทำงานของ AVR จะเป็นเรื่องสำคัญเป็นอย่างมาก ค่า Droop จะถูกกำหนดให้เป็น % คือ ค่าที่ยอมผ่อนปรนของแรงดันได้เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของโหลดจาก 0 ถึง 100% พิกัด ค่า Droop นั้นจะไม่ใช่ค่าที่ใช้นำไปทำการปรับค่า % ของการแชร์โดยตรง แต่จะเป็นค่าที่คล้ายเป็นการผ่อนปรนในการควบคุมแรงดันซึ่งกันและกันของแต่ละแหล่งจ่ายที่กำลังขนานกันอยู่ แต่เป็นตัวแปรที่ใช้ควบคุมความเสถียรภาพของการแชร์ kVAr เพื่อไม่ให้เกิดการส่งถ่ายไปมาระหว่างกัน และยังช่วยควบคุม % การแชร์ kVAr ระหว่างแหล่งจ่ายแม่นยำยิ่งขึ้น กรณีที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่กำลังเดินขนานกันอยู่และมีการแชร์ kVAr แบบ Manual ถ้าค่า %Droop ที่ AVR ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแต่ละเครื่องมีค่าต่างกันไปจะส่งผลให้ค่า %ของการแชร์ kVAr นั้นผิดเพี้ยนหรืออาจแตกต่างกันไปด้วย การปรับแก้ % การแชร์ kVAr ให้กลับมาเท่ากันได้ด้วยการปรับกระแส Excitation Field นั้นสามารถกระทำได้ก็จริงแต่ถือว่าไม่เหมาะสม เพราะเมื่อเราออกจากการขนานเครื่องแล้วอาจเกิด Fault Over หรือ Under Voltage ตามมาได้ วิธีที่เหมาะสมที่สุด เมื่อเราขนานเครื่องเข้าด้วยแรงดันที่ใกล้เคียงกันแล้วควรปรับที่ค่า %Droop ที่ AVR เพื่อการแชร์ kVAr จะเหมาะสมที่สุด โดยทั่วไปแล้วคือถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขนาดพิกัดที่ใกล้เคียงกันให้ปรับ %Droop ให้ใกล้เคียงกันที่ค่าประมาณ 3-5% ก็สามารถแชร์ค่า kVAr ใกล้เคียงกันได้ กรณีการขนานเครื่องที่มีขนาดพิกัดแตกต่างกันมากๆ หรือมี %การแชร์ kW ที่ต่างกัน และจำเป็นต้องแชร์ kVAr แบบ Manual ให้ทำการปรับหาค่า %Droop ใหม่ได้ แนวทางการปรับให้พิจารณาเครื่องที่มี kW สูงกว่าให้มีค่า %Droop ที่ต่ำกว่า แต่ให้พิจารณาค่า Power Factor ประกอบด้วยโดยค่า Power Factor ของทั้ง 2 เครื่องจะต้องมีค่าคงที่และใกล้เคียงกันมากที่สุดและควรอยู่ในช่วงของโหลดปัจจุบันซึ่งปกติจะมีค่า 0.8-0.9 ได้ แต่ค่า kVAr จะแตกต่างกันไปตามสัดส่วนของ kW ที่ถูกแชร์กันอยู่ สำหรับกรณีของการแชร์ kVAR อัตโนมัตินั้นเป็นเรื่องที่ไม่ยุ่งยาก เพียงแค่เราทวนสอบอุปกรณ์ในระบบที่รองรับในส่วนนี้ได้อย่างสมบูรณ์ Controller ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสามารถจัดการและควบคุม % การแชร์ kVAr ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น มีการเข้าวงจร CT Droop ที่ AVR แล้ว มีการต่อ Sensor แรงดันและกระแสที่ตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและที่ Bus ถูกต้องสมบูรณ์แล้ว และมีการเชื่อมต่อระบบสื่อสารระหว่างชุด Controller เข้าด้วยกันแล้ว เข้าระบบ AUX Control ที่ AVR แล้ว ระบบก็จะสามารถทำการแชร์ kVAr ได้อย่างง่ายดายและแม่นยำ
……………..
เหตุการทั้ง 3 เหตุการณ์นี้ เหตุการณ์แรกพบกับการขนานแบบแชร์อัตโนมัติที่พบว่า CT Droop ของ AVR บกพร่องทำให้ไม่สามารถแชร์ kVAR ระหว่างกันได้ มีการถ่าย kVAr ไปมาระหว่างเครื่อง เหตุการณ์ที่ 2 คือพบกับ AVR ที่ไม่มี CT Droop แต่สามารถถ่าย kVAr กับ Grid ได้ด้วยมือคือการปรับกระแส Excitation ระบบจะมีความเสี่ยงอยู่ ผู้ใช้จึงต้อง Fine-Tune อย่างระมัดระวัง และอีกเหตุการณ์คือมีการปรับค่า Droop ที่ AVR ผิดเพี้ยนไปหลังจากทำการ Overhaul แต่สามารถปรับหาและแชร์ kVAR กลับมาเสถียรภาพได้
