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

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 .... Ngoài ra bộ Auto Voltage Regulation AVR tác động nhanh tăng khả năng ổn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ SĨ HUỆ

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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

Đà Nẵng - Năm 2018

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Hồ Sĩ Huệ

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3 Các nội dung nghiên cứu 2

4 Tên đề tài 2

5 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4 3

1.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4 3

1.2 CÁC HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4 3

1.3 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CÔNG TRÌNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

ĐỒNG NAI 4 3

1.4 HỆ THỐNG MÁY PHÁT, MÁY BIẾN THẾ, TURBIN 6

1.4.1 Máy phát điện 6

1.4.2 Máy biến thế chính 7

1.4.3 Máy biến thế tự dùng 8

1.4.4 Máy biến thế kích từ 9

1.4.5 Van chính 9

1.4.6 Hệ thống Tubine 10

1.5 HỆ THỐNG TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN 230 KV 10

1.5.1 Ưu điểm 11

1.5.2 Nhược điểm 11

1.6 HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC 11

1.6.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống điều tốc: 11

1.6.2 Các chế độ vận hành hệ thống điều tốc 12

1.7 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 13

1.7.1 Sơ đồ cấu hình mạng điều khiển 13

1.7.2 Chức năng các thiết bị trong mạng điều khiển 13

1.8 HỆ THỐNG BẢO VỆ 15

1.10 KẾT LUẬN 18

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 19

2.1 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 19

2.1.1 Nguyên lý làm việc máy phát điện 19

2.1.2 Chế độ làm việc bình thường của máy phát điện 19

2.1.3 Chế độ làm việc không bình thường đặc trưng của máy phát điện 20

2.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 22

2.2.1 Khái niệm ổn định hệ thống điện 22

2.2.2 Hậu quả sự cố mất ổn định 22

2.2.3 Phân tích ổn định tĩnh hệ thống điện 22

2.2.4 Phân tích ổn định động hệ thống điện 23

2.3 TỔNG QUAN HỆ THỐNG KÍCH TỪ 26

2.3.1 Giới thiệu chung về hệ thống kích từ 26

2.3.2 Phân loại hệ thống kích từ và hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) 27 2.4 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA NMTĐ ĐỒNG NAI 4 30

2.4.1 Thông số kỹ thuật hệ thống kích từ NMTĐ Đồng Nai 4 30

2.4.2 Nguyên lí hoạt động, chức năng các khối trong hệ thống kích từ NMTĐ Đồng Nai 4 31

2.4.3 Các chức năng chính của hệ thống kích từ UNITROL 5000 33

2.4.4 Thực trạng HTKT tại NMTĐ Đồng Nai 4 46

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 47

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HTKT NMTĐ ĐỒNG NAI 4 48

3.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 48

3.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NMTĐ ĐỒNG NAI 4 SỬ DỤNG PHẦN MỀM POWERWORLD SIMULATOR 48

3.2.1 Khởi động phần mềm 49

3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 49

3.2.3 Chạy chương trình để mô phỏng, tính toán các chế độ 51

3.3 MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH VAI TRÒ CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ TRONG CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA NMTĐ ĐỒNG NAI 4 53

3.3.1 Chế độ vận hành bình thường 54

3.3.2 Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành của Hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 63

KẾT LUẬN 73 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

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

Học viên: Hồ Sĩ Huệ Chuyên ngành: Kĩ thuật điện

Mã số: ………Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 được thiết kế và xây dựng với mục đích chính cung cấp

điện lượng hằng năm 1.109 triệu kWh điện cho hệ thống điện Quốc gia Để đảm bảo cho 2 tổ máy phát điện đạt yêu cầu, sự vận hành tốt của hệ thống kích từ là không thể thiếu Hệ thống kích từ là một thiết

bị quan trọng của tổ máy Có nhiệm vụ điều chỉnh, giám sát điện áp máy phát (khởi động máy, chạy không tải hoặc dừng máy), điều chỉnh công suất phản kháng Q (máy phát nối lưới)… khi vận hành bình thường Ngoài ra bộ Auto Voltage Regulation (AVR) tác động nhanh tăng khả năng ổn định trong quá trình quá độ của máy phát khi xuất hiện sự cố trong hệ thống và bộ ổn định công suất tăng ổn định tĩnh của máy phát chống lại sự dao động của hệ thống sau khi khắc phục sự cố Khảo sát sau nhiều năm vận hành, hệ thống kích từ của hãng ABB dòng Unitrol 5000 đã thể hiện nhiều mặt vượt trội ( thiết bị ổn định, thời gian dừng máy do hệ thống ít, khả năng điều chỉnh cao…) tuy nhiên cũng bộc lộ một số khuyết điểm (chưa tham gia ổn định công suất tổ máy khi sự cố dao động công suất từ lưới…) Trong khuôn khổ luận văn, tác giả giới thiệu khái quát về lí thuyết ổn định hệ thống điện Qua đó nghiên cứu, mô phỏng, đánh giá các chế độ vận hành của hệ thống kích từ tại Nhà máy Cuối cùng đưa

ra hướng khắc phục nhằm nâng cao hiệu quả vận hành thiết bị hệ thống kích từ

Từ khóa – hệ thống kích từ; bộ ổn định công suất; ABB Unitrol 5000; ổn định hệ thống điện;

Powerworld.

RESEARCH, ASSESSMENT AND PROPOSAL TO ENHANCE THE EFFICIENCY

OF THE EXITATION SYSTEM OF DONG NAI 4 HYDROELECTRIC POWER PLANT

Abstract – The Dong Nai 4 Hydropower Plant is designed and built with the main purpose of supplying

1109 million kWh of electricity power system To ensure that the two generators meet the requirements, the good operation of the excitation system is indispensable The excitation system is an important device of the unit It is responsible for adjusting and monitoring the generator voltage (Novoltage, no load or stopping), adjusting the reactive power Q (grid connected generator) when operating normally In addition, the Auto Voltage Regulation (AVR) provides increased stability during transmitter transient events when problems occur in the system and stabilized static power boosters of the generator against knives The system dynamics after troubleshooting After several years of operation, the excitation system ABB Unitrol 5000 excels in a number of respects (stable equipment, low system downtime, high level of control…) reveals a number of defects (not involved in stabilizing the capacity of the machine when the power fluctuation problem from the grid ) Within the framework of the thesis, the author introduces the general theory of stabilization of the power system Through that, research, simulation and evaluation of operating modes of the system of excitation in the factory Finally, the direction of overcoming to improve the efficiency of the operation

of the system of magnetic stimulation.

Key words - Excitation system; Stability power system; ABB Unitrol 5000; Power system stability; Powerworld

AVR Automatic Voltage Control

MANUAL Điều khiển bằng tay

Bảng 1.1 Các thông số chính công trình Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 3

Bảng 1.2 Các bảo vệ chính của NMTĐ Đồng Nai 4 15

Bảng 3.1 Số liệu trạm 500 kV 53

Bảng 3.2 Số liệu sau mô phỏng 54

Bảng 3.3 Số liệu sau mô phỏng 55

Bảng 3.4 Số liệu sau mô phỏng 56

Bảng 3.5 Số liệu sau mô phỏng 57

Bảng 3.6 Số liệu sau mô phỏng 59

Bảng 3.7 Số liệu sau mô phỏng 60

Bảng 3.8 Số liệu sau mô phỏng 61

Bảng 3.9 Số liệu sau mô phỏng 62

Bảng 3.10 Số liệu sau mô phỏng 63

Bảng 3.11 Tổng hợp thông số sự cố 71

Bảng 3.12 Tổng hợp thông số sự cố 72

Bảng 3.13 Tổng hợp thông số sự cố 72

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống điều tốc 12

Hình 1.2 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển 13

Hình 2.1 Nguyên lí máy phát điện 19

Hình 2.2 Đặc tính P – Q máy phát điện 20

Hình 2.3 Các momen trong máy phát điện 21

Hình 2.4 Sơ đồ HTĐ đơn giản 25

Hình 2.5 Biểu đồ các trị số công 26

Hình 2.6 Cấu trúc một hệ thống kích từ 27

Hình 2.7 Hệ thống kích từ là các máy phát điện một chiều 28

Hình 2.8 Hệ thống kích từ dùng máy phát diện xoay chiều tần số cao chỉnh lưu 28

Hình 2.9 Hệ thống kích từ dùng máy phát kích thích không vành trượt 28

Hình 2.10 Hệ thống kích từ sử dụng hệ thống xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển 29

Hình 2.11 TĐK tác động tỉ lệ 29

Hình 2.12 TĐK tác động mạnh 30

Hình 2.13 Sơ đồ khối HTKT 31

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lí HTKT 34

Hình 2.15 Bộ bù P và Q 35

Hình 2.16 Bộ V/Hz 36

Hình 2.17 Bộ khởi động mềm 36

Hình 2.18 Sơ đồ PID 37

Hình 2.19 Đặc tính giới hạn công suất máy phát cực lồi 37

Hình 2.20 Giới hạn P/Q 40

Hình 2.21 Điều khiển Q/Cos phi 40

Hình 2.22 bảo vệ quá áp 42

Hình 2.23 Bảo vệ rotor 43

Hình 2.24 Sơ đồ cơ bản của 1 bộ PSS trong HTKT 44

Hình 2.25 Hàm truyền bộ PSS dùng trong HTKT NMTĐ ĐN4 44

Hình 2.26 Khối tốc độ 45

Hình 2.27 Khối công suất điện 45

Hình 2.28 Khối công suất cơ 45

Hình 2.29 Khối ngõ ra PSS 45

Hình 2.30 Thông số setting của bộ PSS trong phần mềm trong HTKT NMTĐ ĐN4 đã được cấu hình 46

Hình 3.1 Start sofware 49

Hình 3.2 Tạo file mới 49

Hình 3.3 Tạo 1 bus 50

Hình 3.4 Tạo 1 máy phát 50

Hình 3.5 Mô hình sơ đồ 1 sợi Đồng Nai 4 51

Hình 3.6 Dao diện trước và sau khi cắt máy cắt 51

Hình 3.7 Truy xuất kết quả 51

Hình 3.8 Vẽ đặc tính sự cố 52

Hình 3.9 Tạo loại sự cố 52

Hình 3.10 Đưa các thông số ra trend 53

Hình 3.12 Giao diện mô phỏng 54

Hình 3.13 Giao diện mô phỏng 55

Hình 3.14 Dao diện mô phỏng 56

Hình 3.15 Dao diện mô phỏng 57

Hình 3.16 Dao diện mô phỏng 58

Hình 3.17 Dao diện mô phỏng 59

Hình 3.18 Dao diện mô phỏng 60

Hình 3.19 Dao diện mô phỏng 61

Hình 3.20 Dao diện mô phỏng 62

Hình 3.21 Dao động công suất H1-H2 OFF PSS 64

Hình 3.22 Dao động công suất H1-H2 ON PSS 64

Hình 3.23 Dao động góc roto tổ máy H1 – H2 OFF PSS 65

Hình 3.24 Dao động góc roto tổ máy H1 – H2 ON PSS 65

Hình 3.25 Điện áp đầu cực H1 – H2 OFF PSS 66

Hình 3.26 Điện áp đầu cực H1 – H2 ON PSS 66

Hình 3.27 Dạng sóng đáp ứng bộ PSS H1- H2 khi OFF PSS 67

Hình 3.28 Dạng sóng đáp ứng bộ PSS H1- H2 khi ON PSS 67

Hình 3.29 Dao động công suất H1, H2 OFF PSS 68

Hình 3.30 Dao động công suất H1, H2 ON PSS 68

Hình 3.31 Dao động góc Roto H1, H2 OFF PSS 68

Hình 3.32 Dao động góc Roto H1, H2 ON PSS 68

Hình 3.33 Dao động điện áp đầu cực H1, H2 OFF PSS 69

Hình 3.34 Dao động điện áp đầu cực H1, H2 ON PSS 69

Hình 3.35 Công suất H1, H2 OFF PSS 69

Hình 3.36 Công suất H1, H2 ON PSS 69

Hình 3.37 Góc lệch Roto H1, H2 OFF PSS 70

Hình 3.38 Góc lệch Roto H1, H2 ON PSS 70

Hình 3.39 Dao động điện áp đầu cực OFF PSS 70

Hình 3.40 Dao động điện áp đầu cực ON PSS 70

Hình 3.41 Dạng sóng đáp ứng bộ PSS H1- H2 OFF PSS 70

Hình 3.42 Dạng sóng đáp ứng bộ PSS H1- H2 ON PSS 70

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 NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

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 340 MW 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

1.2 CÁC HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

- Đập chính trên sông Đồng Nai

- Đập tràn xả lũ có 5 cửa tràn

- Tuyến năng lượng gồm có cửa lấy nước và một đường hầm dẫn nước

- Nhà máy thủy điện lắp đặt 2 máy phát điện có tổng công suất là 340 MW và các

thiết bị liên quan

Bảng 1.1 Các thông số chính công trình Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4

I Thông số hồ chứa

TT Thông số Đơn vị Số lượng

III Cửa nhận nước

TT Thông số Đơn vị Số lượng

IV Tuyến năng lượng

TT Thông số Đơn vị Số lượng

- Tỉ số ngắn mạch:>1(là tỷ số ngắn mạch của dòng điện ngắn mạch so với dòng điện định mức của máy phát khi mà giá trị dòng kích từ bằng với giá trị ở chế độ không tải)

- Điện kháng quá độ dọc trục(X’d)

+ Không bão hòa:0.2548

- Điện kháng siêu quá độ dọc trục(X’’d): 0.1799

- Điện kháng siêu quá độ ngang trục(X’’q): 0.1985

1.4.1.4 Kích thước máy phát

1.4.1.6 Hệ thống chữa cháy máy phát

1.4.3 Máy biến thế tự dùng

1.4.5.2 Hệ thống dầu Áp lực Van chính

- Tốc độ Bơm: 1470 vòng/ phút

- Áp lực khí N2 trong 8 bình dầu áp lực: 9.0 Mpa

- Áp lực dầu vận hành cho phép thấp nhất: 10.0 MPa

- Áp lực dầu vận hành cho phép lớn nhất: 17.5 MPa

1.5 HỆ THỐNG TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN 230 KV

Trạm phân phối 220kV của NMTĐ Đồng Nai 4 có nhiệm vụ phân phối công suất

từ nhà máy Thủy điện đến hệ thống điện Quốc gia bằng cấp điện áp 220kV qua các tuyến đường dây 220kV

Toàn bộ trạm được đặt tại cao trình 420.00m phía trên nhìn về hướng thượng lưu nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 Truyền tải công suất từ nhà máy đến trạm phân phối bằng hai tuyến đường dây trên không lần lượt nối từ 2 máy biến thế chính T1 và T2 Mạch nhất thứ của trạm phân phối là sơ đồ tứ giác 4 máy cắt, nó bao gồm các nhánh vào và ra sau

- Một lộ vào từ máy biến áp T1

- Một lộ vào từ máy biến áp T2

- Một lộ ra đến đường dây truyền tải số 1

- Một lộ ra đến đường dây truyền tải số 2

- Hai lộ đường dây truyền tải số 1 và 2 được nối đến trạm 500kV Đăk Nông

- Không phát triển thêm các phát tuyến khác trong tương lai

- Thiết kế lắp đặt bảo vệ phức tạp

- Phải chọn dòng làm việc định mức máy cắt theo điều kiện làm việc cưỡng bức khi sửa chữa 1 máy cắt

1.6 HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC

1.6.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống điều tốc:

Hệ thống điều tốc là một hệ thống tự động phản hồi vòng kín, có tác dụng điều khiển độ mở cánh hướng để khống chế tốc độ quay của tuabin

Điều tốc đóng vai trò quyết định cho việc điều chỉnh tốc độ của tổ máy khi khởi động và ngừng máy; giám sát và điều chỉnh liên tục giữ ổn định tốc độ của tổ máy khi đang hòa lưới; điều khiển tăng giảm công suất phát khi đang hòa lưới; điều khiển đi đóng cánh hướng khi xãy ra sự cố trip máy…

Hệ thống điều tốc gồm hai phần chính là phần cơ cấu điều khiển và phần cơ cấu chấp hành:

FOD

+

-frequency setpoint

opening setpoint

PID Function

Kp K1

Bp_

FPD

PID Function

Kp K1

?

?F

?F

+ + -

power setpoint

active power

output from opening controller

output from power controller

Opening limiter output from speed controller

WG transducer select

WG transducer 1

WG transducer 2

Main Servomotor proportional

valve Amplifier proportonal valve

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống điều tốc

Phần cơ cấu điều khiển: gồm PLC được lập trình các logic điều khiển, các module input/output, các module truyền thông, các tín hiệu input hồi tiếp như các sensor giám sát hay các tín hiệu dòng áp hồi tiếp từ các PT, CT, và module điều khiển

van tỉ lệ Có ba chế độ điều khiển chính là Speed control, Opening control, Power

control

Phần cơ cấu chấp hành: Nhờ hệ thống bơm dầu áp lực, các van dầu, van tỉ lệ, cụm van chính, hệ thống servo cánh hướng… mà hệ thống điều khiển suất tín hiệu đi điều khiển cụm van phân phối chính, qua đó điều khiển servo cánh hướng làm thay đổi

độ mở cánh hướng

1.6.2 Các chế độ vận hành hệ thống điều tốc

1.6.2.1 Chế độ frequence (speed mode)

- Khi tần số nằm trong khoảng 49.8-50.2 Hz: Hệ thống điều tốc không điều chỉnh công suất (độ mở cánh hướng) nhằm duy trì tần số (tốc độ) cố định 50Hz

- Khi tần số vượt ra ngoài khoảng 49.8-50.2 Hz: Hệ thống điều tốc sẽ tự động thực hiện điều chỉnh công suất (độ mở cánh hướng) theo đặc tuyến (setting) để ổn định tần số về mức 50Hz

- Khả năng đáp ứng: Hệ thống điều tốc chỉ thực hiện điều chỉnh tần số trong giới hạn Pmax, Pmin.Khi đạt tới các giới hạn Pmax, Pmin, mà tần số vẫn không về mức 50Hz, hệ thống điều tốc sẽ ngưng quá trình điều chỉnh

- Khả năng đáp ứng: Hệ thống điều tốc chỉ thực hiện điều chỉnh công suất trong giới hạn Pmax, Pmin.Khi đạt tới các giới hạn Pmax, Pmin, mà tần số vẫn không về mức 50Hz, hệ thống điều tốc sẽ ngưng quá trình điều chỉnh

1.7.1 Sơ đồ cấu hình mạng điều khiển

- Hệ thống điều khiển được bố trí như một hệ điều khiển SCADA điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu

- Hệ thống máy tính điều khiển gồm: ES, DS, OS1, OS2, LIC, GW1, GW2

- 1 máy tính Laptop để kết nối Down load/ Up load chương trình, phần mềm với

hệ thống

- 1 màn hình lớn 80inchs kết nối với máy tính LIC để theo dõi số liệu 1 cách trực quan, rõ ràng

- Các PLC kết nối kiểu mạng Erthernet mạch kép 100MB/s, cáp quang

- Bộ điều khiển xử lý (CPU): 7 bộ (2 bộ cho tổ máy, một bộ cho thiết bị phụ trợ, một bộ cho nhà máy, một bộ cho trạm phân phối, 1 cho đập tràn, 1 cho cửa nhận nước)

- Các LCU1, LCU2, LCU3, LCU4, LCU5 được kết nối với theo kiểu mạng vòng khép kín Còn LCU6 kết nối với mạng theo kiểu phân nhánh

1.7.2 Chức năng các thiết bị trong mạng điều khiển

Các PLC kết nối kiểu mạng Erthernet mạch kép 100MB/s, cáp quang Cấu trúc SCADA mạng điều khiển của nhà máy Thủy điện Đồng Nai 4 như sau:

DDD

Hình 1.2 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển

ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

Thiết Bị Điều Khiển Điều Khiển Thiết Bị Điều Khiển Thiết Bị

- Điều khiển giám sát: Bao gồm các máy tính vận hành giám sát, ghi nhận Event

OS1, OS2, ES, DS, LIC, GW1, GW2 Các màn hình giao diện HMI tại các tủ LCU

Các máy in dùng để khai thác thông tin thông qua hệ thống mạng LAN nội bộ

- Thiết bị điều khiển: bao gồm các PLC ABB tại các tủ điều khiển LCU Những

PLC này đóng vai trò kết nối máy chủ tại trung tâm điều khiển với các thiết bị chấp hành, phản hồi, báo… PLC tại các tủ LCU đóng vai trò nhận tín hiệu từ các thiết bị đo, lưu trữ tạm, xử lý, đồng thời gửi về hệ thống máy tính tại trung tâm điều khiển Nhận lệnh từ trung tâm điều khiển để ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành

LCU 1: Điều khiển giám sát các hệ thống

Hệ thống giám sát bên trong tổ máy H1

Hệ thống Bơm dầu điều tốc H1

Hệ thống van nén nước khi chạy bù H1

LCU 2: Tương tự như LCU1, điều khiển thiết bị tổ máy 2

LCU 3: điều khiển giám sát những hệ thống thiết bị phụ trong nhà máy như:

Hệ thống Khí nén Hạ áp Khí nén Cao áp

Hệ thống bơm tiêu Bơm tháo cạn

Hệ thống bơm nước chữa cháy

Hệ thống xử lý nước thải

Hệ nhà xử lý dầu

Hệ thống quạt thông gió

Hệ thống Deluge Valve tại các sàn 304, 307, 321

LCU 4: điều khiển giám sát những hệ thống thiết bị phụ

Máy cắt 22kV tại các tủ AH1, AH2

Các tủ BHA, BHT

Hệ thống tủ phân phối nguồn DC

Hệ thống UPS nhà máy

Giám sát các thông số điện áp, dòng điện, nhiệt độ của hệ thống Ắc quy

Hệ quạt thông gió cao trình 331

- Thiết bị chấp hành và phản hồi tín hiệu: Bao gồm các động cơ bơm dầu, động

cơ bơm nước…Các valve điều khiển đóng mở…Các sensor nhiệt độ, áp lực, Switch lưu lượng, mức dầu… Những thiết bị này có chức năng thực hiện lệnh chạy theo thiết

bị điều khiển Đồng thời phản hồi lại trạng thái, giám sát trạng thái làm việc gửi về cho

thiết bị điều khiển xử lý

ĐỐI TƯỢNG

CHỨC

1APG1

(RJ1A)

1APG1

(RJ1A)

RXMF1 RXSF1

Máy biến thế chính

TỦ

BẢO

VỆ

TÊN RELAY

ĐỐI TƯỢNG

từ (nhiệt độ lõi MBT)

Bảo vệ trạm

Bảo vệ chống lỗi máy cắt phía 220

59N, 64N

Bảo vệ chạm đất stato 0-95%, 100%

MF, MBT chính

TỦ

BẢO

VỆ

TÊN RELAY

ĐỐI TƯỢNG

CHỨC

Máy biến thế kích từ

kích từ tức thời(cắt nhanh) 1APG2

(RD11)

W1

phát tuyến

dòng điện chạm đất có hướng APR2

(RD12)

W2

phát tuyến

quá dòng điện chạm đất có hướng

APR5

(RG1)

REC670 (273)

Trạm và phát tuyến

đồng bộ REC670

(272)

Trạm và phát tuyến

đồng bộ RAHL401 Trạm và

phát tuyến

1.9 HỆ THỐNG KÍCH TỪ NMTĐ ĐỒNG NAI 4

Hệ thống kích từ NMTĐ Đồng Nai 4 sử dụng họ UNITROL 5000 là sản phẩm mạnh nhất của hãng ABB Thụy Sĩ trong loạt các hệ thống kích thích UNITROL ® Điện áp dựa trên bộ vi xử lý điều chỉnh sử dụng công nghệ mới nhất hiện có Sự phát triển dựa trên 40 năm kinh nghiệm với bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn và trên 15 năm kinh nghiệm với công nghệ vi xử lý cho hệ thống kích từ

UNITROL 5000 được thiết kế kiểu mô-đun, gồm một hoặc nhiều bộ thyristor, mạch mồi từ và khử từ Crowbar

Cấu trúc phần mềm theo chương trình chuẩn cung cấp hầu hết các chức năng điều chỉnh, bảo vệ và giám sát cần thiết đảm bảo an toàn hoạt động của hệ thống kích thích; các sự kiện, dữ liệu được ghi nhật ký để chẩn đoán, dò tìm lỗi thông minh,

chương trình ứng dụng có thể chỉnh sửa logic, chức năng, để tối ưu hóa hệ thống với yêu cầu khách hàng đó là sự cải thiện vượt bật về tính công nghệ và tin cậy của UNITROL 5000

1.10 KẾT LUẬN

Từ khi khởi công xây dựng vào cuối 2004, phát điện tổ máy H1 tháng 03/2012, H2 tháng 06/2012, vận hành thương mại chính thức đến nay NMTĐ Đồng Nai 4 đã cung cấp cho HTĐ khoảng 7.3 tỷ kWh điện, cung cấp một phần điện năng bị thiếu hụt cho HTĐ

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

Cho dòng điện kích từ (dòng điện không đổi), vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường roto

Hình 2.1 Nguyên lí máy phát điện

Khi roto quay bằng động cơ sơ cấp, từ trường của roto cắt dây quấn phần ứng stato và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có giá trị hiệu dụng là:

dây quấn, từ thông cực từ roto

Nếu roto có P đôi cực, khi roto quay được một vòng, sđđ phần ứng sẽ biến thiên

p chu kỳ, do đó nếu tốc độ của roto là n (v/p), tần số của sức điện động là f=p.n, nếu roto tính bằng vòng /phút thì f=

60

.n

p

trong các dây quấn sẽ có dòng điện ba pha Giống như ở máy điện không đồng bộ,

đúng bằng tốc độ n của roto Do đó kiểu máy điện này gọi là máy điện đồng bộ

2.1.2 Chế độ làm việc bình thường của máy phát điện

Chế độ làm việc bình thường của máy phát điện là chế độ đồng bộ ổn định, vận tốc roto và từ trường quay phần tĩnh bằng nhau và bằng với tốc độ đồng bộ nhờ cân

bằng giữa mômen cơ và mômen điện Do đó từ trường quay phần tĩnh không quét qua roto, trong roto chỉ có dòng kích từ một chiều (không có dòng cảm ứng)

Trong chế độ làm việc bình thường các thông số máy phát như công suất tác dụng, phản kháng, hệ số công suất, dòng điện phần tĩnh và phần ứng, sức điện động ngang trục và điện áp đầu cực máy phát thay đổi không vượt qua giới hạn cho phép làm việc bình thường Bên dưới là giới hạn các đường làm việc của máy phát

Quá tải gây phát nóng cuộn dây stator có thể do nhiều nguyên nhân như máy phát điện vận hành với hệ số công suất thấp, thành phần công suất phản kháng vượt quá mức cho phép, có hư hỏng trong hệ thống làm mát hoăc hệ thống điều chỉnh điện áp làm cho máy phát bị quá kích thích Cuộn dây rotor cũng có thể bị quá tải ngắn hạn trong quá trình điều chỉnh điện áp khi máy phát đầy tải công suất tác dụng

Thời gian chịu đựng quá tải của các cuộn dây máy phát có giới hạn và phụ thuộc vào mức độ quá tải, kết cấu của máy phát, hệ thống làm mát và công suất của máy phát Thường các nhà chế tạo cho sẵn quan hệ giữa mức quá tải (I* = I/Iđm) với thời gian quá tải cho phép của từng loại máy phát điện

2.1.3.2 Chế độ không đồng bộ

Chế độ không đồng bộ của các máy điện, nói chung là chế độ làm việc với vận tốc rôto khác vận tốc đồng bộ Đặc trưng bởi thông số góc rotor

Chế độ đồng bộ tồn tại được là nhờ có sự cân bằng giữa mô men cơ Mcơ của turbin và mô men điện của máy phát tức mô men đồng bộ Mđb Khi có cân bằng mô men, mô men thừa bằng không Chế độ không đồng bộ xuất hiện là do mất cân bằng

mô men

Hình 2.3 Các momen trong máy phát điện

Các nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng mô men:

- Thứ nhất là khi dòng kích từ If tức sức điện động Eq giảm xuống làm cho mô men đồng bộ giảm, trên trục rotor xuất hiện mô men thừa và vận tốc rotor tăng lên lớn hơn vận tốc đồng bộ

- Thứ hai là khi thay đổi phụ tải đột ngột, mômen cản đặt trên trục máy phát thay đổi đột ngột làm cho mô men đồng bộ thay đổi Phụ tải thay đổi càng lớn thì sự mất cân bằng mô men càng mạnh, chế độ không đồng bộ xuất hiện, sự ổn định trở lại của máy phát phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh và mức độ thay đổi phụ tải

- Thứ ba là khi ngắn mạch, điện áp tụt xuống làm cho mômen điện từ giảm, mômen thừa xuất hiện và động cơ tăng tốc lớn hơn vận tốc đồng bộ Sau khi cắt ngắn mạch loại trừ sự cố, điện áp phục hồi, máy phát có thể trở lại ổn định hoặc không ổn định

2.1.3.3 Chế độ không đối xứng

Chế độ vận hành không đối xứng còn gọi là chế độ lệch tải có dòng điện phụ tải 3 pha không cân bằng nhau Trên các pha xuất hiện dòng điện thứ tự thuận I1 và thứ tự nghịch I2 Dòng điện I2 cảm ứng trên cuộn dây stator từ thông nghịch Φ2 có vận tốc quay nhanh gấp 2 lần tốc độ đồng bộ, từ thông Φ2 lại cảm ứng trên cuộn dây rôto và trên mạch

từ rôto một dòng điện I’2 có tần số f2 = 100Hz, gấp đôi tần số f1 = 50Hz Dòng điện I’2 gây ra tổn hao phụ làm cho thân rôto và cuộn dây rôto bị phát nóng cục bộ Ngoài ra tác dụng tương hỗ của dòng điện I’2 và từ thông Φ2 là sinh ra mô men cản M2 có chiều ngược với chiều của mô men đồng bộ M1 gây rung động máy phát điện

Các nguyên nhân gây xuất hiện chế độ không đối xứng:

- Do phụ tải không đối xứng

- Do đường dây tải điện ba pha không được hoán vị hoặc hoán vị không hoàn toàn

- Do áp dụng chế độ làm việc không toàn pha, tức là chế độ đường dây ba pha

chỉ làm việc trên hai pha hoặc một pha

- Do sự cố không đối xứng như ngắn mạch một pha, hai pha với nhau hay với đất, sự cố ngắn mạch kèm theo đứt dây

2.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

2.2.1 Khái niệm ổn định hệ thống điện

Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống, sau những kích động nhỏ phục được trạng thái cân bằng ban đầu hoặc rất gần với trạng thái ban đầu (trong trường hợp kích động thường xuyên, ngẫu nhiên)

Ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hồi được trạng thái xác lập ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

Ổn định tổng quát là khả năng của hệ thống điện lập lại chế độ đồng bộ sau khi

đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc động

2.2.2 Hậu quả sự cố mất ổn định

Các máy phát làm việc trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất những lượng công suất lớn

Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ

Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải

2.2.3 Phân tích ổn định tĩnh hệ thống điện

2.2.3.1 Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn năng lượng

Về toán học, có thể mô tả điều kiện ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn năng lượng như sau:

- số gia thông số trạng thái Xét với những khoảng thời gian ngắn, tương quan sẽ ứng với các số gia công suất, đồng thời biểu thức còn có thể viết ở dạng vi phân:

Với mỗi hệ thống đã cho, xét những nút trao đổi công suất khác nhau có thể nhận định hàng loạt biểu thức cụ thể Đó chính là các biểu thị cụ thể của các tiêu chuẩn năng lượng, kiểm tra tính ổn định hệ thống Chẳng hạn với các nút nguồn của hệ thống điện dùng tiêu chuẩn dP/d , các nút phụ tải tiêu chuẩn dQ/dU Phần quan trọng trong

với hệ thống điện đó là các quan hệ của P, Q với các thông số trạng thái và U (gọi là các đặc tính công suất)

2.2.3.2 Phương pháp đánh giá ổn định theo Lyapunov

Lyapunov đưa ra hai phương pháp cho phép xác định hệ thống có ổn định hay không mà không giải phương trình vi phân, đó là phương pháp trực tiếp và phương pháp xấp xỉ bậc nhất

Phương pháp trực tiếp nghiên cứu ổn định hệ thống thông qua việc thiết lập một

hàm mới (gọi là hàm –V) dựa trên cấu trúc hệ phương trình vi phân quá trình quá độ Hàm –V cần có những tính chất nhất định Nhờ những tính chất của hàm V có thể phán đoán được tính ổn định hệ thống, cụ thể như sau:

- Hệ thống có ổn định nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần theo thời gian là một hàm không đổi dấu, ngược dấu với hàm V hoặc là một hàm

đồng nhất bằng không trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống (định lý I)

- Hệ thống có ổn định tiệm cận nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần cũng có dấu xác định nhưng ngược dấu với hàm V trong suốt thời gian

chuyển động của hệ thống (định lý II)

Phương pháp xấp xỉ bậc nhất được áp dụng phổ biến hơn trong hệ thống điện,

đặc biệt là để phân tích ổn định tĩnh hệ thống điện có điều chỉnh, đặc biệt là để phân tích ổn định tĩnh hệ thống điện có điều chỉnh Phương pháp dựa trên giả thiết các kích động là vô cùng bé, do đó có thể xấp xỉ hoá hệ phương trình vi phân chuyển động với

hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng Hệ xấp xỉ mô tả đúng tính chất chuyển động của hệ thống xung quanh điểm cân bằng

2.2.4 Phân tích ổn định động hệ thống điện

Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong HTĐ còn có những kích động lớn diễn ra đột ngột làm mất cân bằng công suất, phá hoại tính

ổn định hệ thống Những kích động như thế phải kể đến các sự cố ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây, thao tác cắt máy biến áp cung cấp đang có phụ tải ra sửa chữa… Do có sự biến thiên đột ngột các dòng công suất phân bố trong lưới, công suất các máy phát cũng thay đổi đột ngột, thậm chí giảm xuống đến 0 (chẳng hạn khi ngắn mạch 3 pha đầu cực máy phát) Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong các máy phát bị phá vỡ, xuất hiện các gia tốc làm thay đổi mạnh góc lệch roto Quá trình quá độ diễn ra có thể ổn định hoặc không ổn định phụ thuộc tính nặng nề của các kích động Tính ổn định hệ thống trong trường hợp này gọi là ổn định động hay còn gọi kaf ổn định quá độ

Về bản chất, ÔĐĐ thể hiện đặc tính của QTQĐ chuyển hệ thống từ CĐXL này sang CĐXL khác Điều kiện cần để hệ thống ÔĐĐ là đảm bảo được 2 điều kiện sau:

- Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với CĐXL sau sự cố)

- Thông số biến thiên trong QTQĐ hữu hạn và tắt dần vệ thông số CĐXL mới

Như vậy sự tồn tại CĐXL sau sự cố là điều kiện cần nhưng chưa đủ cho tính ổn

định hệ thống Chính điều kiện thứ 2 dẫn đến yêu cầu phải áp dụng các phương pháp phân tích ổn định động

Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến hơn để nghiên cứu ổn định động của quá trình quá độ Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ phương trình vi phân phi tuyến quá trình quá độ có thể xác định được đường cong biến thiên góc lệch , trên cơ sở đó đánh giá được ổn định động Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là tính vạn năng đối với các loại mô hình và cấu trúc hệ thống điện Tuy nhiên phương pháp tích phân số cũng có những nhược điểm cơ bản như sau: + Đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, hạn chế hiệu quả ứng dụng trong các bài toán điều chỉnh nhanh

+ Độ chính xác thấp khi tính quá trình quá độ trong thời gian dài

+ Khó phân tích kết quả

Đối với hệ thống điện đơn giản, xét theo mô hình đơn giản hóa quá trình quá độ, phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả Trong phạm vi có thể (với các phép biến đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ) người ta thường sử dụng tối đa ưu điểm của phương pháp này

2.2.4.1 Phương pháp tích phân số:

ra trong hệ thống đang xét, kể từ thời điểm một đường dây cắt ra có dạng:

' 2

q J

0

Uδ

T

ω

E d

cơ của tuabin) Để áp dụng các chương trình tính toán thường cần đưa về phương trình dạng chuẩn của bài toán Cô-si:

dδ

=s dt

' q 0

Uω

ds

E X

Các điều kiện đầu của phương trình:

(0) = 0

Suy ra từ điều kiện cụ thể của hệ thống tại t = 0 sau khi cắt đường dây

Kết quả tính toán nhận được bằng phương pháp tích phân số sẽ là các trị số của góc lệch (t) ở những thời điểm khác nhau (đồng thời cũng là giá trị của độ lệch tần số s(t) biến thiên theo thời gian) Có thể biểu diễn kết quả dưới dạng đường cong hoặc

bảng số để phân tích Nếu tính toán với thời gian đủ dài mà mọi thời điểm đều có (t)

<2 thì quá trình quá độ ổn định Cũng có thể bằng trực giác, dựa vào đường cong (t)

để kết luận về đặc trưng ổn định hệ thống (tắt dần hay tăng trưởng vô hạn)

2.2.4.2 Phương pháp diện tích:

Xét hệ thống điện đơn giản như hình 2.4 Do sự cố một đường dây bị cắt ra

Hình 2.4 Sơ đồ HTĐ đơn giản

được một công A1 nào đó của momoen thừa từ hình dễ dàng nhận thấy:

d m

P P A

II

I

II

) sin (

1 0

0 0

công A2 chống lại mômen hãm:

d m

P P A

II

II

) sin (

2 max

0 0

Còn nếu góc lệch δ tăng tiếp tục từ δ0II đến δgh thì công hãm sẽ là:

d m

P P A

gh

II

II

) sin (

3 0 0

Dễ thấy khi hệ thống ổn định A1= A2 < A3, còn khi hệ thống mất ổn định thì A3

< A1 Ta có:

Như vậy tiêu chuẩn đảm bảo cho hệ thống ổn định động sẽ là:

Thay số cụ thể vào biểu thức, dễ dàng kiểm tra được hệ thống có ổn định động

Trong thực tế vận hành HTĐ, thường rất quan tâm đến vùng ổn định theo thông

số Ví dụ hệ thống có thể làm việc với miền trị số nào của công suất phát và truyền tải

Phương pháp và tiêu chuẩn vừa nêu gọi là phương pháp và tiêu chuẩn diện tích

Vì các trị số công gia tốc và công hãm tỉ lệ với các diện tích gới hạn bởi các đường cong đặc tính công suất (còn gọi là các diện tích gia tốc, diện tích hãm) Trường hợp chung cần biểu thị các trị số công như diện tích giữa đường cong độ lệch công suất ΔP

Hình 2.5 Biểu đồ các trị số công

2.3 TỔNG QUAN HỆ THỐNG KÍCH TỪ

2.3.1 Giới thiệu chung về hệ thống kích từ

Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây rotor tạo từ trường của máy điện đồng bộ Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiền điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ

Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh đỉnh điện áp, phân bố công suất

và nâng cao tính ổn định của hệ thống Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn

Chức năng của hệ thống: Hệ thống đảm bảo quá trình kích thích và tự động kiểm tra quá trình kích thích máy phát ở các chế độ sau

- Kích thích ban đầu

- Chạy không tải

- Khởi động tự động và hoà vào lưới theo phương pháp hoà đồng bộ chính xác

- Đảm bảo khả năng làm việc của máy phát trong hệ thống điện với các điều kiện vận hành chấp nhận được cho máy phát

- Gia cường kích thích với bội số cho trước theo điện áp và dòng điện trong điều kiện có sự vi phạm các thông số định mức trong hệ thống gây giảm điện áp tại thanh cái nhà máy

- Giảm kích thích khi trong hệ thống có sự vi phạm các thông số định mức, gây

tăng điện áp tại thanh cái nhà máy

Khi nghiên cứu QTQĐ cần mô tả đặc tính của quá trình diễn ra trong hệ thống kích

từ từ khi điều chỉnh máy kích thích đến khi nhận được điện áp kích từ Hiện nay người ta dùng nhiều nhất là loại hệ thống kích từ chỉnh lưu có điều khiển (bằng thyristor), nguồn cung cấp là dòng điện xoay chiều lấy qua máy biến áp tự dùng Loại này có hằng số quán tính nhỏ nhờ vào khả năng điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ đi vào cuộn dây roto máy phát điện đồng bộ, cho phép nâng cao chất lượng điều chỉnh điện áp và ổn định

có tín hiệu sự cố Tín hiệu đầu vào cho TĐK lấy từ các biến dòng và máy biến điện áp đặt tại đầu cực máy phát

Nhược điểm chủ yếu là bị giới hạn ở công suất nhỏ (hạn chế là việc bởi tia lửa phát sinh trên vành đổi chiều) và có hằng số quán tính điều chỉnh lớn

Hình 2.7 Hệ thống kích từ là các máy phát điện một chiều

Hệ thống kích từ dùng máy phát diện xoay chiều tần số cao chỉnh lưu Do không

có vành đổi chiều công suất có thể tăng lên đáng kể Tuy nhiên nhược điểm của loại này là công suất chế tạo vẫn bị giới hạn, do tia lửa vành trượt xuất hiện khi công suất lớn (cần có vành trượt đưa điện vào stato) Ngoài ra hằng số quán tính có trị số lớn

Hình 2.8 Hệ thống kích từ dùng máy phát diện xoay chiều tần số cao chỉnh lưu

Hệ thống kích từ dùng máy phát kích thích không vành trượt Máy phát này là xoay chiều 3 pha nhưng không có phần ứng chuyển động, nghĩa là các cuộn dây pha nằm trên rotor gắn cùng trục với máy phát điện chính Phần tạo ra từ trường nằm ở phần tĩnh, được cung cấp từ nguồn một chiều chỉnh lưu Dòng điện từ các cuộn dây 3 pha (chuyển động) được chuyển thành dòng một chiều bằng các chỉnh lưu gắn ngay trên trục, nối trực tiếp với cuộn kích từ máy phát điện chính Như vậy hoàn toàn không còn vành trượt đưa điện vào rotor, công suất chế tạo không bị hạn chế Ngoài ra do nối trực tiếp hằng số thời gian cũng giảm đi đáng kể

Hình 2.9 Hệ thống kích từ dùng máy phát kích thích không vành trượt

Hệ thống kích từ sử dụng hệ thống xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển Cho phép tạo ra hằng số quán tính rất nhỏ nhờ khả năng điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ (chạy qua các thyristor) đi vào cuộn dây rotor máy phát điện đồng bộ Hiện nay tại các nhà máy điện chủ yếu sử dụng loại hệ thống kích từ này Hằng số quán tính nhỏ là điều kiện quan trọng cho phép nâng cao chất lượng điều chỉnh điện áp

Thiết bị TĐK tác động tỉ lệ thực hiện điều chỉnh theo độ lệch điện áp đầu cực

đo lường ĐL (máy biến điện áp), thiết bị biến đổi BĐ (chỉnh lưu và lọc) được đưa vào khâu so sánh SS Đặc điểm của TĐK tác động tỷ lệ là E-U=ΔU, hiệu số độ lệch nhận

đảm bảo tính ổn định của bộ điều chỉnh trong chế độ quá độ, TĐK tác động tỉ lệ có thêm kênh phản hồi PHM tác động theo tín hiệu đạo hàm cấp 1 của điện áp kích từ (của máy kích thích)

Hình 2.11 TĐK tác động tỉ lệ

Về cấu trúc, khác với TĐK tác động tỉ lệ, TĐK tác động mạnh có thêm một loạt kênh đạo hàm thông số chế độ, cùng đưa vào bộ khuếch đại Phần tác động điều chỉnh điện áp theo độ lệch và kích thích cường hành không thay đổi Các đạo hàm thông số chế độ mới này không tác động ở CĐXL (vì tín hiệu bằng 0) Tuy nhiên lại có hiệu quả cao đối với chất lượng điều chỉnh điện áp và ổn định tĩnh HTĐ Vấn đề ở chỗ, nhờ

có các kênh điều chỉnh này có thể nâng cao hệ số khuếch đại tín hiệu độ lệch điện áp (âm) lên rất lớn cho kênh điều chỉnh, trong khi vẫn giữ được ổn định cho bộ điều chỉnh Khi đó một cách gián tiếp đem lại hiệu quả cao về phương diện chất lượng điện

áp và tính ổn định chung cho toàn hệ thống Vấn đề là phải chọn được cấu trúc thích hợp và hiệu chỉnh đúng các hệ số đặt ứng với HTĐ cụ thể

Hình 2.12 TĐK tác động mạnh

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

- Tỷ số biến dòng điện của MBA Kích từ: 2000A/1A;

- Công suất biểu kiến của MBA Kích từ: 1700 KVA