Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Hệ thống điều tốc trong nhày máy Thủy điện Đồng Nai 3 đóng vai trò quyết định cho việc điều chỉnh tốc độ của tuabin máy phát khi khởi động và ngừng máy; giám sát và điều chỉnh liên tục g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60 52 02 02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Ngô Văn Dưỡng

Phản biện 1:

PGS.TS Nguyễn Hữu HiếuPhản biện 2:

TS Vũ Phan Huấn

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 27

tháng 10 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường ĐH Bách khoa

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

MỞ ĐẦU

Ngày nay với xu thế phát triển mạnh của nền kinh tế đất nước, kéo theo các nhu cầu – yêu cầu về chất lượng hệ thống điện Việt Nam cũng tăng cao ; tuy nhiên, sự dao động lớn của tần số hệ thống trong ngày gây ảnh hưởng đến hoạt động của tất cả các thiết bị trong

hệ thống điện Hệ thống điều tốc trong nhày máy Thủy điện Đồng Nai 3 đóng vai trò quyết định cho việc điều chỉnh tốc độ của tuabin máy phát khi khởi động và ngừng máy; giám sát và điều chỉnh liên tục giữ ổn định tốc độ của máy phát khi đang hòa lưới; điều khiển tăng giảm công suất hữu công khi đang hòa lưới; điều chỉnh ổn định tần số lưới khi tần số vượt ngoài ngưỡng ổn định

Tuy nhiên, việc tiếp cận cũng như thay đổi nguyên lý hoạt động hệ thống điều tốc là một vấn đề hết sức khó khăn vì trong suốt quá trình thiết kế, lắp đặt đều phụ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài Đặc biệt, sau nhiều năm vận hành thì hệ thống lại bộc lộ nhiều vấn đề chưa tối ưu như : vấn đề điều chỉnh tốc độ tuabin khi máy phát hòa đồng bộ còn chưa tốt ; vấn đề tự động điều chỉnh tần số hệ thống điện khi tần số hệ thống mất ổn định còn nhiều khuyết điểm v.v…

1 Lý do chọn đề tài

Trên cơ sở các hạn chế đó, cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu, đề xuất khắc phục hệ thống điều tốc để đưa hệ thống ngày một vận hành hiệu quả hơn

Đề tài đã đẩy nhanh quá trình hòa đồng bộ của tổ máy, giúp quá trình phát điện lên hệ thống điện diễn ra kịp thời, đáp ứng nhu cầu của phụ tải

Đề tài cũng nghiên cứu sửa đổi và nâng cao khả năng tự động

điều chỉnh tần số lưới của tổ máy; từ đó góp phần làm ổn định tần số lưới điện hơn nữa, nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống

2 Mục đích nghiên cứu

Khảo sát, đánh giá hiện trạng, để tìm giải pháp khả thi nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển tốc độ và tần số của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

Các nguyên lý điều khiển tốc độ máy phát khi khởi động và hòa đồng bộ; điều chỉnh phát công suất tác dụng; tự động điều chỉnh tần số khi tần số hệ thống điện có dao động

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

4 Phương pháp nghiên cứu

Khảo sát, đánh giá hiện trạng các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Đồng Nai 3, trên cơ sở đó xác định các hạn chế của hệ thống Tìm hiều cơ sở lý thuyết điều khiển của các hệ thống điều tốc thủy điện, các giải pháp đảm bảo độ tin cậy làm việc của hệ thống, từ đó đề xuất giải pháp hợp lý để áp dụng nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Kết quả đạt được của đề tài sẽ cung cấp

giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng điều khiển tốc độ và tần số lưới điện của các hệ thống điều tốc máy phát thủy điện

- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả đề tài được áp dụng để nâng cao hiệu quả điều khiển của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng

Nai 3, giúp khắc phục các hạn chế của hệ thống đang vận hành

6 Tên đề tài

“ Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả

vận hành hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3”

7 Bố cục đề tài

MỞ ĐẦU:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG

NAI 3 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

ĐỒNG NAI 3 CHƯƠNG 3: VAI TRÒ VÀ CÁC HẠN CHẾ CỦA HỆ THỐNG

ĐIỀU TỐC TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

TỔ MÁY CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC CÁC HẠN CHẾ CỦA

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC VÀ ỨNG NGHIỆM THỰC TẾ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

1.1 Tổng quan về nhà máy

1.2 Chức năng nhiệm vụ nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.3 Hồ chứa nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.4 Đập chính nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.5 Cửa nhận nước nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.6 Đường hầm áp lực nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.7 Các thiết bị của nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.8 Các hệ thống chính trong nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3

1.8.1 Hệ thống SCADA điều khiển chung

Hệ thống điều tốc của hãng VATECH, bao gồm 2 phần chính

là cơ cấu thủy lực chấp hành, và cơ cấu giám sát - điều khiển hệ thống theo chu trình

Chương này tạo cái nhìn tổng quan về nhà máy thủy điện cũng như các thiết bị hệ thống trong nhà máy thủy điện ; giúp hiểu rõ hơn

về hệ thống điều tốc sẽ trình bày trong chương 2

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG

NAI 3

2.1 Thông số kỹ thuật chính hệ thống điều tốc

2.2 Cơ cấu thủy lực chấp hành của hệ thống điều tốc

2.2.1 Giới thiệu

- Cơ cấu thủy lực chấp hành có 3 phần chính:

➢ Phần servor thủy lực và van cánh hướng

➢ Phần cụm van solenoid và van tỉ lệ điều khiển

➢ Phần hệ thống bơm tạo và duy trì áp suất dầu

2.2.2 Phần hệ thống bơm tạo và duy trì áp suất dầu

2.2.3 Phần cụm van solenoid và van tỉ lệ điều khiển

2.2.4 Phần servo thủy lực và van cánh hướng

2.3 Cơ cấu giám sát - điều khiển hệ thống theo chu trình của hệ thống điều tốc

2.3.1 Giới thiệu

2.3.2 Phần CPU điều khiển:

2.3.3 Phần tín hiệu giám sát và hồi tiếp:

2.4 Giới thiệu các chế độ vận hành của hệ thống điều tốc

2.4.1 Vận hành Manual

2.4.2 Vận hành Auto

2.5 Giới thiệu chương trình điều khiển của hệ thống điều tốc

PLC hệ thống điều tốc được lập trình các chương trình điều khiển theo sườn logic như Hình 2.18

2.5.1 LOG “0.”

2.5.2 FCA “7.”

2.5.3 POC (Power controller) “6.”

Hình 2 1 Sơ đồ logic điều khiển hệ thống điều tốc

2.5.4 OPC ( Opening controller) “5.”

2.5.5 SPC ( Speed controller) “4.”

2.5.6 SEL (Selection) “3.”

2.5.7 Khối OPL (Opening Limitation) “2.”

2.5.8 WPO (Wicket gate posision) “1.”

2.6 Giới thiệu về phần mềm SAT TOOLBOX II

2.6.1 Data distribution center

Hệ thống điều tốc nhà máy Đồng Nai 3 có ba chương trình điều khiển chính là Speed controller, Power controller và Opening controller:

- Speed controller điều khiển trong quá trình khởi động tổ máy đến hòa đồng bộ

- Power controller điều khiển trong quá trình tổ máy đã hòa đồng

bộ và đang phát công suất lên lưới

- Opening controller điều khiển trong quá trình quá độ giữa các chế độ, khi xãy ra sự cố mất tín hiệu hồi tiếp công suất, hoặc do điều hành viên chủ động chuyển sang

Phần mềm SAT Toolbox II giúp giao tiếp và xây dựng logic cho CPU điều khiển hệ thống điều tốc

Qua chương này đã giới thiệu về cấu trúc hệ thống điều tốc, và chức năng của các chế độ điều khiển trong hệ thống điều tốc Qua đó

là nền tảng để đi sâu vào phân tích các khuyết điểm, hạn chế của hệ thống điều tốc trong các chương sau

CHƯƠNG 3 VAI TRÒ VÀ CÁC HẠN CHẾ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC

TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TỔ MÁY

3.1 Vai trò và hạn chế của hệ thống điều tốc trong quá trình hòa đồng bộ

3.1.1 Giới thiệu chu trình khởi động tổ máy trong nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Chi tiết toàn chu trình xem ở phụ lục 2

Quá trình hòa đồng bộ là giai đoạn cuối trong chu trình “STOP

to GEN”; là bước chuyển giữa trạng thái “Noload” sang trạng thái

“GEN”; hệ thống SCADA điều khiển chung gửi lệnh start bộ hòa đồng bộ “SYN 5201”; thiết bị này gửi lệnh điều khiển tăng giảm tốc

độ đến hệ thống điều tốc, hoặc tăng giảm điện áp đầu cực đến hệ thống kích từ nhằm đưa tổ máy đạt điều kiện hòa đồng bộ với lưới điện

3.1.2 Bộ hòa đồng bộ “SYN 5201”

3.1.2.1 Giới thiệu

Bộ hòa đồng bộ có 3 chức năng chính: điều chỉnh cân bằng điện áp, điều chỉnh cân bằng tần số và độ lệch góc pha giữa điện áp đầu cực máy phát và lưới điện hệ thống

Bảng 3 1 Thông số cài đặt của bộ hòa đồng bộ

Chức năng hòa đồng bộ auto Thông cài đặt

Độ lệch góc pha -φ [º] -10

3.1.2.2 Thông tin thiết bị

3.1.2.3 Nguyên lý làm việc bộ hòa đồng bộ “SYN 5201”

- Tính toán ΔU = U1 − U2

Với: U1 là điện áp phía lưới điện hệ thống

U2 là điện áp phía đầu cực máy phát

Nếu: ΔU > 0 hiệu chỉnh điện áp đầu cực máy phát tăng lên

ΔU < 0 hiệu chỉnh điện áp đầu cực máy phát giảm xuống

- Tính toán ΔF = s= 1 2

1100%

F F F

−

Với F1 là tần số lưới điện hệ thống

F2 là tần số đầu cực máy phát

Nếu s > 0 hiệu chỉnh tần số đầu cực máy phát tăng lên

s < 0 hiệu chỉnh tần số đầu cực máy phát giảm xuống

- Tính toán Δφ = φ1 – φ2

Với φ1 là góc pha lưới điện hệ thống

φ2 là góc pha đầu cực máy phát

Nếu Δφ > 0 hiệu chỉnh tần số đầu cực tiến lên

Δφ < 0 hiệu chỉnh tần số đầu cực lui lại

- Công thức thời gian: 56  

1

x x x

3.1.2.4 Đo lường điện áp trong bộ hòa đồng bộ

3.1.3 Chế độ điều khiển “Speed controller” của PLC hệ thống điều tốc

Hình 3 1 Sơ đồ hàm truyền của Speed controller

3.1.3.1 Khối chương trình Setpoint

Trong quá trình hòa đồng bộ, bộ hòa “SYN 5201” gửi các lệnh

“UP” hoặc “DN” đến khối setpoint, để tăng hoặc giảm giá trị tốc độ cài đặt, nhằm thay đổi tần số và độ lệch góc pha phía đầu cực máy phát đạt yêu cầu hòa đồng bộ

3.1.4.2 Khuyết điểm

Trong trường hợp tần số hệ thống điện dao động lớn so với tần

số định mức (± 0,2 Hz đến ± 0,3 Hz, thỉnh thoảng lớn hơn) , việc điều chỉnh đồng bộ giữa ΔF và Δφ trở nên khó khăn

Nếu thời gian hòa đồng bộ vượt quá 2 phút quá trình sẽ ngừng

và báo lỗi

Bên dưới là hình ảnh thực nghiệm của quá trình hòa đồng bộ với thời gian hòakéo dài Nét đỏ là tần số, nét xanh là công suất phát, nét tím là độ mở van cánh hướng

Hình 3 2 Thời điểm 11h45’ tần số dao động lớn thời gian hòa kéo

dài 1phút 58 giây

Hình 3 3 Thời điểm 13h tần số dao động lớn thời gian hòa kéo dài

1phút 53 giây

3.2 Vai trò và hạn chế hệ thống điều tốc Đồng Nai 3 trong quá trình điều tần

3.2.1 Cơ sở lý thuyết chức năng điều tần

3.2.1.1 Nguyên nhân dao động tần số hệ thống

Hình 3 4 Ví dụ cơ bản về một nhà máy phát điện cung cấp độc lập

cho một phụ tải

3.2.1.2 Ảnh hưởng của việc dao động tần số hệ thống

- Đối với máy phát:

- Đối với phụ tải:

Khi có thay đổi phụ tải ta có thể biểu diễn theo biểu thức sau:

r L

Giả sử trong máy phát không có điều tần:

- Moment phát động của Turbine (Pm) tỷ lệ với tần số

- Moment cản (Pe) phụ thuộc vào phụ tải là một biến tỷ lệ nghịch

Đường đặc tính của phụ tải và máy phát là ngược nhau Một chế độ xác lập ban đầu được xác định như sau:

Hình 3 6 Đặc tính điều chỉnh của máy phát và phụ tải

Khi ấy nếu không có thao tác điều chỉnh thì một bước tăng của phụ tải sẽ chuyển điểm làm việc lên M1

= −

Trong đó:  là hệ số tự điều chỉnh của hệ thống

Mục tiêu hướng đến là kéo điểm cân bằng về M0’, tức tạo nên

sự cân bằng giữa Pm và Pe

Vấn đề đặt ra trong trường hợp tự điều chỉnh là ∆Pe quá lớn để mỗi máy phát có thể đáp ứng, do đó cần thiết phải có nhiều máy phát cùng thực hiện

3.2.2 Chương trình điều tần nhà máy Đồng Nai 3

3.2.2.1 Phương trình đặc tuyến P-F

Công thức tính toán ΔP khi tần số hệ thống dao động ΔF được xây dựng như sau :

P P P

Vậy công thức tính ΔF là :

ΔF = (Ft ± Db) – F0

Nếu Ft ≥ (F0 + Db) thì ΔF = (Ft - Db) – 50 (F0 = 50Hz) Nếu Ft ≤ (F0 - Db) thì ΔF = (Ft + Db) – 50 (F0 = 50Hz) Nếu (F0 - Db) ≤ Ft ≤ (F0 + Db) thì ΔF = 0

Giá trị S (độ trượt PF) được quy định là 4 %, và Db là 0,1Hz (tính đến năm 2017 theo trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia)

Hình 3 7 Đặc tuyến PF của máy phát

3.2.2.2 Khối tính toán ΔF (Deadband) trong chương trình hệ

thống điều tốc

3.2.3 Chế độ điều khiển “Power controller” của PLC hệ thống

điều tốc

Như đã nói ở trên, quá trình điều tần diễn ra khi và chỉ khi PLC hệ thống điều tốc làm việc ở chương trình “Power controller”

Hình 3 8 Sơ đồ hàm truyền của Power controller

3.2.3.1 Khối tính toán bù công suất điều tần

3.2.4 Hiện trạng và khuyết điểm của hệ thống điều tốc Đồng Nai

3 trong quá trình điều tần

3.2.4.1 Hiện trạng

Hệ thống điều tốc nhà máy Đồng Nai 3 đang lập trình giá trị

“Db” là ±0,5Hz (tương đương 1% tần số định mức), trong khi đó yêu cầu của trung tâm điều độ tính đến năm 2017 là ±0,1Hz

Ngoài ra, trong quá trình điều tần, hệ thống điều tốc điều chỉnh công suất phát của máy phát nằm ngoài ngưỡng làm việc ổn định (Nhỏ hơn 50MW)

3.2.4.2 Khuyết điểm

Với giá trị Db là ±0,5Hz này hệ thống gần như rất ít khi thực hiện điều tần (tần số hệ thống thường chỉ dao động 0,2 Hz đến 0,3 Hz trong ngày) trừ các trường hợp sự cố

Điều này làm hạn chế khả năng làm việc của hệ thống điều tốc, hạn chế phần nào khả năng điều tần của toàn hệ thống

Trường hợp khi tần số hệ thống dao động quá lớn hệ thống thực hiện điều tần kéo công suất tổ máy xuống quá thấp gây rung động lớn cho máy phát

3.3 TÓM TẮT CHƯƠNG 3

Quá trình hòa đồng bộ là giai đoạn cuối trong chu trình “STOP

to GEN”; là bước chuyển giữa trạng thái “Noload” sang trạng thái

“GEN”; hệ thống SCADA điều khiển chung gửi lệnh start bộ hòa đồng bộ “SYN 5201” Bộ hòa sẽ gửi lệnh đến hệ thống điều tốc hoặc kích từ để điều chỉnh các thông số ΔU, ΔF, Δφ đạt yêu cầu hòa lưới

Hệ thống điều tốc trong quá trình hòa làm việc ở chương trình

“Speed controller” chỉ có nhiệm vụ giữ ổn định tần số đầu cực máy phát ở 50Hz Vào các thời điểm tần số hệ thống dao động biên độ lớn, quá trình hòa đồng bộ khó khăn hoặc không thực hiện được Nguyên nhân chính của sự dao động tần số hệ thống là sự mất cân bằng giữa công suất phát điện và công suất tiêu thụ (hoặc là sự mất cân bằng giữa công suất cơ Pm của nhà máy phát điện và công suất điện Pe của phụ tải) Khi có sự thay đổi phụ tải, công suất điện máy phát thay đổi gây ra sự chênh lệch giữa moment điện và moment

cơ trên trục máy phát và kết quả là sự sai lệch về tốc độ (tần số) Nguyên nhân này có thể vì sự thay đổi phụ tải trong ngày, có thể vì

sự cố gây mất điện nguồn phát hoặc phụ tải

Chức năng điều tần của hệ thống điều tốc nhà máy Đồng Nai 3 đang lập trình giá trị “Db” là ±0,5Hz (tương đương 1% tần số định mức) Ngoài ra, trong quá trình điều tần, hệ thống điều tốc điều chỉnh công suất của máy phát vượt ngưỡng làm việc ổn định (Nhỏ hơn 50MW, thậm chí xuống dưới 4 MW) gây rung động lớn cho máy phát

Trước những thực trạng và khuyết điểm đáng lưu ý của hệ thống điều tốc Đồng Nai 3 ; cho thấy cần thiết phải có phương án, giải pháp để khắc phục các khuyết điểm trên, đem lại hiệu quả vận hành hơn nữa cho hệ thống điều tốc