Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Đồng Nai 4

Bố cục luận văn Bố cục nội dung chính của luận văn bao gồm: Chương 1: Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 Chương 2: Phân tích ổn định chế độ làm việc của máy phát điện và hệ thống

THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGÔ VĂN DƯỠNG

Phản biện 1: TS TRẦN VINH TỊNH

Phản biện 2: TS LÊ ĐỨC TÙNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học

Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học

Bách khoa Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của Đất nước Các khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư, đô thị được xây dựng ngày càng nhiều Nhu cầu điện tăng cao làm thiếu hụt nguồn cung cấp Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 được thiết kế và xây dựng để bù đắp 1 phần công suất thiếu hụt đó

Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 trên sông Đồng Nai, nằm trên địa phận 2 tỉnh Lâm Đồng và Đăk Nông Nhà máy gồm 2 tổ máy với tổng công suất 340MW Nhiệm vụ chính của công trình là cung cấp phát điện cho Hệ thống điện Quốc gia với điện lượng trung bình hàng năm là 1109,5 triệu kWh và cung cấp nước cho hồ chứa Thủy điện Đồng Nai 5, phục vụ phát triển kinh tế xã hội của tỉnh và đất nước Do đó sự vận hành tốt của nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 hay

2 tổ máy phát điện là yêu cầu cấp thiết

Hệ thống kích từ là một thiết bị rất quan trọng của tổ máy Có nhiệm vụ điều chỉnh, giám sát điện áp máy phát (khởi động, không tải hoặc dừng máy), công suất phản kháng (nối lưới)… khi vận hành bình thường Ngoài ra bộ Auto Voltage Regulation (AVR) tác động nhanh tăng khả năng ổn định trong QTQĐ của máy phát khi xuất hiện sự cố trong hệ thống và bộ PSS tăng ổn định tĩnh của máy phát chống lại sự dao động của hệ thống sau khi khắc phục sự cố

Tuy nhiên, sau một thời gian vận hành, phát điện tổ máy H1 tháng 03/2012, H2 tháng 06/2012, hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 xuất hiện một số hạn chế sau:

Ghi nhận đầu năm 2018, trạm 500kV Đăk Nông mở máy cắt (MC 212 T500) khép vòng 2 thanh cái C21, C22 trong chế độ thấp

điểm đêm Tổ máy H1, H2 phát tối đa (170 MW) công suất truyền qua hai mạch đường dây 200kV Đăk Nông- Bình Long đã kích hoạt chế độ dao dộng liên vùng ở mức tần số ~0.9 Hz giữa các tổ máy khu vực Đồng Nai và các tổ máy lớn phía Nam như nhà máy Vũng Án, Vĩnh Tân, Duyên Hải 3, Cà Mau, Phú Mĩ 1, 3, 4… có hệ số dập 4,7

%, trong đó NMTĐ Đồng Nai 4 có hệ số đóng góp lớn nhất gây ra dao dộng và bị ảnh hưởng nhiều nhất, đánh giá nguyên nhân ban đầu

do bộ PSS của hệ thống kích từ là việc không hiệu quả

Trên thực tế, chức năng PSS để ổn định công suất của hệ thống kích từ chưa được nhà máy nghiên cứu, đánh giá và đưa vào

sử dụng

Trên cơ sở đó cho thấy sự cần thiết phải có sự nghiên cứu, đánh giá và đề xuất giải pháp khắc phục hệ thống kích từ để đưa hệ thống ngày một vận hành hiệu quả hơn Cho nên đề tài luận văn được tôi lựa chọn là “Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống kích từ nhà máy thủy điện Đồng Nai 4”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: hệ thống kích từ máy phát Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

+ Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu khả năng vận hành của hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4

+ Căn cứ vào kết quả nghiên cứu đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả vận hành cho hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4

3 Các nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán, phân tích ổn định

- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lí hệ thống kích từ Đồng Nai 4

- Áp dụng tính toán, phân tích hiệu quả của hệ thống kích từ đối với hai máy phát - Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4

- Đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao khả năng hiệu quả vận hành cho hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4

4 Tên đề tài

Căn cứ vào mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, đề tài

được đặt tên: “Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao

hiệu quả vận hành của hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4”

5 Bố cục luận văn

Bố cục nội dung chính của luận văn bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 Chương 2: Phân tích ổn định chế độ làm việc của máy phát điện và hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ

Chương 3: Mô phỏng, tính toán, đánh giá nâng cao hiệu quả vận hành của HTKT NMTĐ Đồng Nai 4

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

1.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NMTĐ ĐỒNG NAI 4

1.2 CÁC HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NMTĐ ĐỒNG NAI 4 1.3 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CÔNG TRÌNH NMTĐ ĐỒNG NAI 4

1.4 HỆ THỐNG MÁY PHÁT, MÁY BIẾN THẾ, TURBIN

1.5 HỆ THỐNG TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN 230 KV

tỷ kWh điện, cung cấp một phần năng lượng điện thiếu hụt

Để phục vụ cho quá trình quản lý vận hành nhà máy đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị, cần thiết phải có những nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến thiết bị Trong khuôn khổ luận văn tác giả đánh giá, đi sâu nghiên cứu và đề xuất gải pháp nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của Hệ thống kích từ, một phần giúp nhà máy vận hành

ổn định, an toàn, và hiệu quả hơn khi tham gia làm việc trong HTĐ

Chương 2 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

2.1 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

2.1.1 Nguyên lý làm việc máy phát điện

2.1.2 Chế độ làm việc bình thường của máy phát điện 2.1.3 Chế độ làm việc không bình thường đặc trưng của máy phát điện

2.1.3.1 Chế độ quá tải

2.3.1 Giới thiệu chung về hệ thống kích từ

2.3.2 Phân loại hệ thống kích từ và hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (TĐK)

2.3.2.1 Một số loại hệ thống kích từ chính:

2.3.2.2 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (TĐK)

2.4 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA NMTĐ ĐỒNG NAI 4

2.4.1 Thông số kỹ thuật hệ thống kích từ NMTĐ Đồng Nai 4 2.4.2 Nguyên lí hoạt động, chức năng các khối trong hệ thống kích từ NMTĐ Đồng Nai 4

2.4.3 Các chức năng chính của hệ thống kích từ unitrol

5000

2.4.3.1 Chức năng mồi từ, hình thành điện áp stator ban đầu

2.4.3.2 Chức năng tự động điều chỉnh điện áp (AVR): 2.4.3.3 Chức năng giới quá kích từ, kém kích từ

2.4.3.4 Chức năng điều khiển bằng tay

2.4.3.5 Chức năng điều khiển Q/ Cos Phi

2.4.3.6 Chức năng giám sát và bảo vệ

2.4.3.7 Chức năng PSS

Bộ ổn định công suất (PSS) thực chất là một bộ phận phụ của

hệ thống kích từ máy phát, tác dụng chính của PSS là mở rộng giới hạn ổn định của hệ thống điện bằng cách tạo ra một thành phần mô men cản (Mc) đặt lên rotor đồng pha với độ lệch tốc độ rotor máy

phát đồng bộ

Hình 2.24 Sơ đồ cơ bản của 1 bộ PSS trong HTKT

Phân tích hàm truyền của hệ thống kích từ NMTĐ ĐN4:

Hình 2.25 Hàm truyền bộ PSS dùng trong HTKT NMTĐ ĐN4

Tín hiệu tốc độ: Tín hiệu đầu vào thứ nhất: tốc độ trục có thể

đo được trực tiếp hoặc được từ tần số của tín hiệu điện áp bù xuất phát từ CT, PT đầu cực máy phát Hai đoạn mạch lọc cao tần được đưa vào tín hiệu kết quả để loại bỏ mức tố độ trung bình, tạo ra 1 tín hiệu sai lệch tốc độ, điều này đảm bảo rằng PSS chỉ tác động với những thay đổi về tốc độ và hoàn toàn không tác động khi điện áp đầu cực tổ máy thay đổi

Hình 2.26 Khối tốc độ

Tín hiệu công suất điện: Tín hiệu đầu vào thứ hai là công suất điện Pe được lấy từ PT, CT đầu cực máy phát Với thuật toán đã lập trình sẵn, từ hai đại lượng U và I sẽ cho ra giá trị công suất điện tương ứng Công suất được lọc qua hai khâu lọc đạo hàm để tạo ra tín hiệu sai lệch công suất đặc trưng bởi hằng số thời gian Tw1 ÷ Tw4 Tín hiệu này qua khâu tích phân sau đó được khuyếch đại bằng KS2

tạo ra tín hiệu tích phân sai lệch công suất điện

Hình 2.27 Khối công suất điện

Tín hiệu công suất cơ: Tín hiệu sai lệch tốc độ và tích phân sai lệch công suất điện được kết hợp với nhau để tạo ra một tín hiệu tích phân sai lệch công suất cơ (ks3 thường bằng 1) Tín hiệu công suất

cơ này sau đó qua bộ lọc Ramp-tracking với các chỉ số M và N để lọc các thành phần xoắn hoặc nhiễu và tạo ra một sai số tĩnh bằng không đối với những thay đổi bám tín hiệu tích phân công suất điện Điều này hạn chế việc thay đổi đầu ra của PSS tới mức thấp nhất đối

với tỷ lệ thay đổi công suất cơ, hằng số thời gian bộ lọc này là T8

và T9.

Hình 2.28 Khối công suất cơ

Khâu khuếch đại, bù pha và giới hạn ngõ ra: Tín hiệu sai lệch giữa công suất cơ và công suất điện sau khi được khuyếch đại bằng

KS1 và 2 khâu bù pha (bù vào sự trễ pha do bộ điều chỉnh điện áp), hằng số thời gian T1 ÷ T4

Hình 2.29 Khối ngõ ra PSS

VSTMAX , VSTMIN là các bộ giới hạn ngõ ra củ bộ PSS

Tín hiệu đầu ra của bộ PSS là điện áp VST được cộng vào điện

áp điều khiển của bộ điều chỉnh điện áp hệ thống kích từ

Hình 2.30 Thông số setting của bộ PSS trong phần mềm trong

HTKT NMTĐ ĐN4 đã được cấu hình

2.4.4 Thực trạng HTKT tại NMTĐ Đồng Nai 4

Qua thời gian làm việc dài, từ năm 2012 cho đến nay, hệ thống kích từ UNITROL 5000 của hãng ABB đã thể hiện sự ưu việt của nó, trong các chế độ vận hành bình thường, số lần sự cố do ảnh hưởng trực tiếp từ HTKT xảy ra rất thấp Tuy nhiên khi có sự cố từ lưới, công suất phát 2 tổ máy bị dao động mạnh Điển hình là sự cố trạm

500 kV ĐĂKNÔNG, theo công văn số 656/ĐĐQG v/v thử nghiệm

và kích hoạt bộ ổn định công suất PSS tổ máy phát TĐ Đồng Nai 3,

4, trung tâm điều độ điện quốc gia có nhận xét và kiến nghị sau: Qua kết quả tính toán ổn định tín hiệu nhỏ, ổn định động và so sánh với kết quả thu thập được trên hệ thống WAMS cho thấy việc

mở MC 212 T500 ĐăkNông trong chế độ thấp điểm đêm khi các NMTĐ Đồng Nai 3, 4, 5 đang phát tối đa công suất để phát qua hai mạch đz 220kV ĐăkNông – Cầu Bông đã kích hoạt chế đọ dao động liên vùng ở mức tần số ~0.9 Hz (0.856-0.886 Hz) Chế đọ đao động trên làn dao động công suất tại các NMĐ như Đồng Nai 3, 4, 5 và một số NMĐ trong miền Nam như Cà Mau, Duyên Hải 3, Nhơn Trạch Trong chế độ dao động trên các tổ máy Đồng Nai 3, 4, 5 có hệ

số đóng góp lớn nhất gây ra dao động và cũng bị ảnh hưởng nhiều nhất Kiến nghị: Các NMTĐ Đồng Nai 3, 4, 5 cần sớm thí nghiệm hiệu chỉnh và đưa bộ PSS vào vận hành đảm bảo ổn định công suất

tổ máy

Phân tích nguyên nhân: Hệ thống kích từ NMTĐ Đồng Nai 4 được thiết kế có chức năng ổn định công suất điện (Power System Stabilizer – PSS) Tuy nhiên sự phối hợp giữ Trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia và các chuyên gia của nhà thầu DEC chưa tốt tại thời điểm bàn giao 2013 Do vậy chức năng PSS của hệ thống kích từ NMTĐ Đồng Nai 4 chưa được thử nghiệm và đưa vào làm việc

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Qua phân tích các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ,

cơ sở tính toán-phân tích ổn định HTĐ, hệ thống kích từ máy phát điện đồng bộ và tìm hiểu, phân tích hệ thống kích từ UNITROL5000, nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 cũng như đi sâu phân tích nguyên lí hoạt động, chức năng hệ thống kích từ UNITROL5000, kết quả cho thấy:

Hệ thống kích từ UNITROL5000 là hệ thống kích từ sử dụng công nghệ vi xử lý hiện đại, cho phép tự động điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát nhanh chóng và chính xác ở các chế độ: không tải, mang tải, bù đồng bộ và chế độ nạp điện đường dây Ngoài ra thiết bị UNITROL5000 được trang bị bộ ổn định công suất PSS có khả năng dập tắt các dao động góc tải, dao động điện áp đầu cực, dao động công suất máy phát khi có các sự cố xảy ra Do đó PSS của HTKT có vai trò quan trọng trong việc nâng cao ổn định cho máy phát điện khi

có những nhiễu loạn trong hệ thống điện Trong thực tế, hệ thống kích từ chưa đưa chức năng ổn định công suất vào là việc, làm giảm khả năng vận hành của HTKT

Qua đây, để đánh giá vai trò và nâng cao hiệu quả vận hành của HTKT Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 trong chương 3 sẽ tiến hành tính toán phân tích các chế độ vận hành bình thường và sự cố của nhà máy liên quan đến HTKT khi đấu nối trong HTĐ, xét trong hai trường hợp đưa và không đưa chức năng ổn định công suất vào làm việc Từ đó sẽ đưa ra các giải pháp phù hợp với hệ thống thiết bị

3.2.1 Khởi động phần mềm

3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng

3.3 MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH VAI TRÒ CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ TRONG CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA NMTĐ ĐỒNG NAI 4

Số liệu của hệ thống áp dụng cho mô phỏng lấy vào lúc cao điểm, 14h07 giờ ngày 24/3/2017, lúc này nếu sự cố xảy ra là nguy hiểm nhất, khả năng ổn định động của hệ thống là yếu nhất

Bảng tổng hợp số liệu công suất, điện áp ở chế độ cực đại (thông số 14h07 ngày 24-3-2017) tại các TBA 500kV trên hệ thống:

3.3.1 Chế độ vận hành bình thường

Tác giả xét ảnh hưởng của hệ thống điện đến HTKT khi máy phát phát đầy tải (100%Pđm), nửa tải (50%Pđm) và non tải (30%Pđm) ở :

Chế độ vận hành cực đại U=105% U đm

Chế độ vận hành định mức U=100% U đm

Chế độ vận hành cực tiểu U=95% U đm

Chế độ 2 tổ máy phát 100% công suất định mức:

Thực hiện mô phỏng chế độ làm việc của hệ thống, kết quả tính toán điện áp, góc pha tại các nút và trào lưu công suất trên các đường dây và máy phát H1-H2 thể hiện bảng sau

Bảng 3.2 Số liệu sau mô phỏng

Trào lưu công suất P(MW) Q(Mvar) Không

Chế độ 2 tổ máy phát 50% công suất định mức:

Thực hiện mô phỏng chế độ làm việc của hệ thống ta có kết quả tính toán điện áp, góc pha tại các nút và trào lưu công suất trên các đường dây và máy phát H1-H2

Bảng 3.3 Số liệu sau mô phỏng

Trào lưu công suất P(MW) Q(Mvar)

Tổ máy – H1 1 -17.55 Tổ máy – H1 85 40

Tổ máy – H2 1 -17.55 Tổ máy – H2 85 40

Chế độ 2 tổ máy phát 30% công suất định mức:

Thực hiện mô phỏng chế độ làm việc của hệ thống ta có kết quả tính toán điện áp, góc pha tại các nút và trào lưu công suất trên các đường dây và máy phát H1-H2

Bảng 3.4 Số liệu sau mô phỏng

Chức

năng Nút Điện áp pu

Góc pha (deg)

Chế độ 2 tổ máy phát 100% công suất định mức:

Thực hiện mô phỏng chế độ làm việc của hệ thống ta có kết quả tính toán điện áp, góc pha tại các nút và trào lưu công suất trên các đường dây và máy phát H1-H2

Bảng 3.5 Số liệu sau mô phỏng

Chế độ 2 tổ máy phát 50% công suất định mức:

Thực hiện tính toán chế độ làm việc của hệ thống ta có kết quả tính toán điện áp, góc pha tại các nút và trào lưu công suất trên các đường dây và máy phát H1-H2

Bảng 3.6 Số liệu sau mô phỏng

Trào lưu công suất P(MW) Q(Mvar)

Tổ máy – H1 1 -13.12 Tổ máy – H1 85 31

Tổ máy – H2 1 -13.12 Tổ máy – H2 85 31

Chế độ 2 tổ máy phát 30% công suất định mức:

Thực hiện tính toán chế độ làm việc của hệ thống ta có kết quả tính toán điện áp, góc pha tại các nút và trào lưu công suất trên các đường dây và máy phát H1-H2

Bảng 3.7 Số liệu sau mô phỏng

Chế độ 2 tổ máy phát 100% công suất định mức:

Thực hiện mô phỏng chế độ làm việc của hệ thống ta có kết quả tính toán điện áp, góc pha tại các nút và trào lưu công suất trên các đường dây và máy phát H1-H2