Phân tích, đánh giá hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Cộng hưởng tần số thấp SSR gây thiệt hại n ng nề cho các nhà máy nhiệt điện, nhẹ thì gây ra hiện tượng rạn trục rotor của tuabin máy phát, n ng thì có thể phá h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Dương Việt Đức.

Đề tài luận văn: Phân tích, đánh giá hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số học viên: CB140907

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26/10/2017 với các nội dung sau: Không phải chỉnh sửa nội dung luận văn

Ngày tháng 11 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do bản thân tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trương Ngọc Minh và không sao chép công trình nghiên cứu của người khác Kết quả nghiên cứu là trung thực, khách quan và chưa công bố dưới bất cứ hình thức nào trước đây Các số liệu và thông tin tham khảo phục

vụ công tác phân tích, đánh giá được trích dẫn và ghi chú nguồn gốc rõ ràng, theo đúng quy định

Học viên thực hiện

Dương Việt Đức

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện nghiên cứu của các thầy, cô, cán bộ Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đồng nghiệp và bạn bè

Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của TS Trương Ngọc Minh - giảng viên thuộc Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã định hướng, hướng dẫn và cung cấp cơ sở khoa học cần thiết để thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, cán bộ trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các đồng nghiệp trong ngành Điện đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn

Cuối cùng tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã luôn động viên

và khuyến khích trong quá trình thực hiện luận văn

Học viên thực hiện

Dương Việt Đức

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ THẤP 3

1.1 Hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện 3

1.2 Tụ bù dọc trên đường dây 3

1.3 Hiện tượng cộng hưởng tần số thấp 5

1.3.1 Khái niệm 5

1.3.2 Các dạng tương tác tần số thấp 6

1.3.3 Hậu quả của hiện tượng SSR 9

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ CƠ - ĐIỆN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 10

2.1 Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ 10

2.1.1 ết cấu và nguyên l cơ bản 10

2.1.2 Đ c điểm và phân loại 12

2.2 Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ 13

2.2.1 Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ abc 14

2.2.2 Biến đổi các đại lượng Stator về hệ tọa độ dq0 của Rotor 16

2.2.3 Các phương trình điện áp trong hệ tọa độ qd0 của Rotor 18

2.2.4 Mômen điện từ của máy điện đồng bộ 19

2.2.5 Quan hệ giữa các dòng điện và từ thông móc vòng 20

2.2.6 Phương trình chuyển động của Rotor 21

2.3 Mô phỏng máy phát đồng bộ 22

2.3.1 Các biểu thức điện áp trong hệ tọa độ quay qd0 23

2.3.2 Các biểu thức dòng điện trong hệ tọa độ qd0 quay 24

2.3.3 Các biểu thức momen và phương trình chuyển động của Rotor 27

2.3.4 Tiến hành mô phỏng 28

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ THẤP 33

3.1 Phương pháp tính toán, khảo sát hiện tượng cộng hưởng tần số thấp 33

3.1.1 Giới thiệu các phương pháp tính toán, khảo sát 33

3.1.2 Phương pháp trị riêng 34

3.1.3 Các đ c trưng của ma trận trạng thái 35

3.1.4 Phân tích ổn định dựa vào giá trị riêng 39

3.2 Sự xoắn trên trục turbine 43

3.2.1 Thông số của hệ trục turbine máy phát 43

3.2.2 Phương trình hệ thống trục turbine máy phát 46

3.2.3 Mô hình hóa hệ thống trục turbine máy phát 49

3.2.4 Mô phỏng mômen xoắn trên các trục 54

3.2.5 Tính toán ma trận Q và ma trận tỉ lệ R 55

3.3 Phân tích dao động riêng của trục turbine máy phát đồng bộ 57

3.3.1 Thông số trục turbine máy phát đồng bộ 57

3.3.2 Phân tích trị riêng và các chế độ dao động 57

3.3.3 Nhận xét kết quả mô phỏng 60

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ THẤP THEO SƠ ĐỒ CHUẨN IEEE FBM 61

4.1 Sơ đồ IEEE First Benchmark 61

4.2 Mô hình hóa sơ đồ chuẩn IEEE FBM 63

4.2.1 Phép biến đổi qd0 cho các phần tử trên đường dây 63

4.2.2 Mô hình mô phỏng hiện tượng SSR cho sơ đồ chuẩn IEEE FBM 71

4.3 Tiến hành mô phỏng 72

4.3.1 Ảnh hưởng của tụ bù dọc đến hiện tượng SSR 72

4.3.2 Tiến hành mô phỏng 75

CHƯƠNG 5: ẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM HẢO 83

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp 4

Hình 2: Mô hình mạch tương đương hiện tượng tự cảm máy phát 6

Hình 3: Trục turbine tổ máy số nhà máy nhiệt điện bị phá hủy do hiện tượng SSR 9

Hình 4: Kết cấu máy phát điện đồng bộ ba pha 10

Hình 5: Mạch điện đ c trưng của máy điện l tưởng 14

Hình 6: Sơ đồ đẳng trị của mạch qd0 19

Hình 7: Sơ đồ MFĐ nối với nút có công suất vô cùng lớn 22

Hình 8: Hệ tọa độ qd0 cố định và quay 24

Hình 9: Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ với nút vô cùng lớn 29

Hình 10: Kết quả mô phỏng trường hợp tăng điện áp kích thích 30

Hình 11: Trường hợp giảm điện áp kích thích 31

Hình 12: Kết quả mô phỏng trường hợp thay đổi mômen cơ máy phát 32

Hình 13: Mô hình khối LPB-GEN 46

Hình 14: Cấu trúc cơ khí của hệ trục turbine 6 khối 48

Hình 15: Các tần số dao động tự nhiên và hình dáng dao động các mode của trục turbine máy phát 59

Hình 16: Sơ đồ IEEE First Benchmark System 61

Hình 18: Sơ đồ khối turbine máy phát 62

Hình 18: Sơ đồ mô tả mạch RL nối tiếp ba pha với dây trung tính 63

Hình 19: Sơ đồ tương đương qd0 của đường dây RL nối tiếp 66

Hình 20: Sơ đồ tương đương qd0 của đường dây RL nối tiếp khi bỏ qua thành phần hỗ cảm giữa các pha 67

Hình 21: Sơ đồ mô tả mạch điện dung song song của đường dây ba pha 68

Hình 22: Mạch điện hoán vị tương đương qd0 của mạch điện dung song song 69

Hình 23: Mạch điện tương đương qd0 của mạch điện dung song song 70

Hình 24: Mô hình mô phỏng sơ đồ chuẩn IEEE First Benchmark bằng MATLAB 72

Hình 25: Mô hình FBM trong trường hợp ngắn mạch tại nút 4 75

Hình 26: Ngắn mạch tại nút 4 khi bù 74.2% đường dây 76

Hình 27: Ngắn mạch tại nút 4 khi bù 65% đường dây 77

Hình 28: Ngắn mạch tại nút 4 khi bù 55% đường dây 78

Hình 29: Ngắn mạch tại nút 4 khi bù 45% đường dây 79

Hình 30: Ngắn mạch tại nút 4 khi bù 35% đường dây 80

Hình 31: Ngắn mạch tại nút 4 khi bù 8% đường dây 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Thông số máy phát điện đồng bộ 28

Bảng 2: Hệ thống ký hiệu các thông số của máy phát 44

Bảng 3: Thông số trục turbine máy phát đồng bộ 57

Bảng 4: Tần số dao động riêng của khối trục turbine máy phát 58

Bảng 5: Các giá trị của vector riêng Q ứng với các mode dao động 58

Bảng 6: Các giá trị của Q sau khi được sắp xếp lại 58

Bảng 7: Thông số trở kháng của lưới điện theo mô hình chuẩn IEEE FBM 61

Bảng 8: Thông số của máy phát điện đồng bộ theo mô hình chuẩn IEEE FBM 62

Bảng 9: Thông số trục turbine máy phát điện đồng bộ theo mô hình chuẩn IEEE FBM 62

Bảng 10: Kết quả tính toán trị riêng cho mô hình FBM với mức bù 74.2% 73

Bảng 11: Tính toán trị riêng cho mô hình FBM với các mức bù khác nhau trên đường dây 74

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Cộng hưởng tần số thấp (SSR) gây thiệt hại n ng nề cho các nhà máy nhiệt điện, nhẹ thì gây ra hiện tượng rạn trục rotor của tuabin máy phát, n ng thì có thể phá hỏng và gãy trục rotor Khi xảy ra SSR, không chỉ gây thiệt hại cho nhà máy điện mà còn gây ảnh hưởng đến vận hành hệ thống điện có thể gây mất ổn định hệ thống, gây thiếu hụt nguồn công suất và làm gián đoạn cung cấp điện cho phụ tải gây ảnh hưởng đến nền kinh tế của đất nước

Hiện tại, công suất nhà máy nhiệt điện chiếm tỷ lệ khoảng 37,7 % trong khoảng 42.000MW công suất đ t của các nhà máy điện tại Việt Nam Trong tương lại đến 2020, 2025, 2030 tỷ lệ này lần lượt khoảng 46,1%, 54,0%, 53,9% trong khoảng 57.250MW, 89.170MW, 110.760MW công suất đ t của nhà máy điện

Do vậy, hiện tượng SSR thật sự cấp thiết cần phân tích, đánh giá để đề ra các giáp khắc phục tránh tổn thất cho chủ đầu tư nhà máy nhiệt điện và nền kinh tế Quốc gia

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung phân tích, nghiên cứu hiện tượng SSR và tính toán tần số, biên độ gây ra hiện tượng SSR bằng phương pháp trị riêng và mô phỏng tính toán trên Matlab

Máy phát của nhà máy nhiệt điện được khảo sát, nghiên cứu, trong đó, hệ thống tuabin của máy phát nhiệt điện được mô hình hóa và tính toán các tần số dao động riêng

Hiện tượng SSR được tính toán mô phỏng dưa trên sơ đồ chuẩn IEEE FBM và

mô phỏng Matlab

Đóng góp của luận văn

Tổng hợp cơ sở lý thuyết về hiện tượng SSR

Tính toán chính xác tần số và biên độ SSR theo sơ đồ chuẩn IEEE FBM bằng Matlab; kết quả tính toán thu được là cơ sở để đề xuất các biện pháp ngăn ngừa hiện tượng SSR

Phương pháp nghiên cứu

Mô hình hóa hệ cơ điện của máy phát nhiệt điện

Nghiên cứu mô hình toán học về phương pháp trị riêng và phân tích trị riêng củaà các chế độ dao động tuabin máy phát nhiệt điện

Mô phỏng, tính toán SSR trên sơ đồ chuẩn IEEE FBM bằng Matlab

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ THẤP

1.1 Hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được nối với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Điện năng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải thỏa mãn các tiểu chuẩn chất lượng phục

vụ (bao gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện)

Một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống điện là nhà máy điện Nhà máy điện là các cơ sở công nghiệp đ c biệt làm nhiệm vụ sản xuất ra điện và nhiệt năng từ các dạng năng lượng tự nhiên khác nhau như nhiệt năng của than khi đốt cháy, thủy năng của nước, năng lượng m t trời Để đảm bảo được chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện yêu cầu các máy phát trong nhà máy điện phải đảm bảo làm việc ổn định

Như chúng ta đã biết việc đ t tụ bù dọc trên đường dây là một trong những phương tiện hiệu quả và kinh tế nhất nhằm tăng khả năng tải và tăng khả năng ổn định của hệ thống Tuy nhiên việc đ t tụ bù dọc trên đường dây có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng tần số thấp (SSR), điều này có thể dẫn đến rất nhiều hậu quả nghiêm trọng (ví dụ như: phá hỏng trục turbine máy phát…) Vì thế chúng ta cần phân tích đầy đủ ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây đến hiện tượng SSR và từ đó sẽ tìm ra những biện pháp thích hợp để đối phó với hiện tượng này [1]

1.2 Tụ bù dọc trên đường dây

Tụ bù dọc được đ t nối tiếp trên đường dây để bù điện kháng của đường dây Tức là làm giảm điện kháng giữa 2 điểm dẫn đến tăng khả năng truyền tải và giảm tổn thất truyền tải

Mô hình hệ thống điện đơn giản có tụ bù dọc trên đường dây được cho ở hình

1

Hình 1: Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp

Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi không có tụ bù dọc:

1 2sin

L

U U P

Năm 1970 - 1971, tổ hợp turbine máy phát Mohave tại nam Nevada, Mỹ đã xảy ra sự cố nghiêm trọng làm hư hỏng trục turbine máy phát điện mà nguyên nhân

là do hiện tượng cộng hưởng tần số thấp khi đ t tụ bù dọc trên đường dây gần với phía nhà máy Và cuối năm 2015, tại Việt Nam hiện tượng cộng hưởng tần số thấp cũng gây sự cố gãy trục turbine tổ máy số 1, nhà máy điện Vũng Áng Vì thế nghiên

cứu hiện tượng cộng hưởng tần số thấp là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu hiện nay [2, 3]

1.3 Hiện tượng cộng hưởng tần số thấp

1.3.1 Khái niệm

Hiện tượng cộng hưởng tần số thấp (Subsynchronous Resonance – SSR) là

hiện tượng động có các đ c điểm được IEEE định nghĩa như sau: “Cộng hưởng tần

số thấp là điều kiện vận hành của hệ thống mà ở đó trao đổi năng lượng giữa hệ thống turbine máy phát ở một vài tần số dưới đồng bộ” [2]

hi đường dây nối với máy phát được đ t bù dọc, sẽ xuất hiện tần số dưới đồng bộ tự nhiên fer Với bất kỳ nhiễu loạn nào của hệ thống, chúng sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng ở cả ba pha của máy phát tại tần số fer Thành phần thứ tự thuận của dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ góc là 2 f er Dòng điện gây ra trong cuộn dây rotor do tốc độ tương đối của từ trường quay được nhắc đến ở trên

và tốc độ quay của rotor Kết quả là dòng điện điện của rotor sẽ có tần số

0 er

r

f  f  f Dòng dưới đồng bộ trong rotor gây ra hiện tượng tự cảm máy phát sẽ được tìm hiểu cụ thể hơn ở phần sau Từ trường cảm ứng, quay với tốc độ ứng với tần số fer, tương tác với kích từ một chiều của rotor (đang quay với tốc độ ứng với tần số f0) gây nên thành phần mômen điện từ trên rotor máy phát tại tốc độ ứng với tần số f0 fer Mômen này góp phần gây nên hiện tượng tương tác xoắn và mô men quá độ

Dòng điện tần số thấp gây ra mômen trên trục rotor của của turbine máy phát bởi rotor sẽ dao động tại tần số dưới đồng bộ Sự có m t của mômen dưới đồng bộ trên rotor đáng lo ngại bởi vì nó gây ra vấn để rất nghiệm trọng Do bản thân trục turbine của mát có kiểu dao động tự nhiên của nó hi có dao động tần số thấp trên trục, có thể gây ra mômen xoắn tần số thấp trùng với một chế độ dao động tự nhiên nào đó của trục turbine, khi đó trục turbine sẽ dao động tại tần số tự nhiên nhưng

với biên độ rất lớn Hiện tượng này được gọi là cộng hưởng tần số thấp có thể gây

ra mỏi trục và nguy hiểm hơn là gây phá hủy ho c hỏng hóc trục turbine máy phát [2]

1.3.2 Các dạng tương tác tần số thấp

Có rất nhiều cách mà hệ thống và máy phát có thể tương tác với dao động tần

số thấp do tụ bù dọc gây ra Trong đó có một vài dạng tương tác cơ bản sau:

Tuy nhiên nếu điện trở âm của máy phát có giá trị lớn hơn điện trở dương của

hệ thống ở tần số tự nhiên của hệ thống, máy phát sẽ chịu dòng dưới đồng bộ do hiện tượng tự kích thích hi đó dao động điện sẽ vượt quá mức cho phép

Hình 2: Mô hình mạch tương đương hiện tượng tự cảm máy phát

Với hiện tượng tự cảm máy phát, điện trở rotor nhìn từ phần ứng và hệ thống

sẽ được cho bởi công thức

r

R R s

er

f f s

R f R

Tương tác xoắn (Kết quả của SSR – sự kết hợp giữa mặt điện và cơ )

Tương tác xoắn xuất hiện khi mômen tần số thấp bị gây ra khi khi máy phát ở gần với một trong những chế độ xoắn tự nhiên của trục turbine máy phát Tương tác xoắn là hiện tượng bao gồm cả đ c tính của hệ cơ và đ c tính của hệ điện Giữa hai

hệ này có thể có một ho c nhiều tần số tự nhiên Tần số tự nhiên của hệ điện là fer

và tần số tự nhiên của hệ cơ khối-trục máy phát là f n

Tương tác xoắn xuất hiện do cấu tạo cơ học của turbine máy phát dạng trục Sẽ có thêm (n1) chế độ dao động tương tác xoắn với turbine m khối ngoài các chế độ dao động của công suất Mode 0, là chế độ mà tất cả các khối của turbine dao động đồng thời đây cũng là chế độ l tưởng, rất khó có thể tồn tại trong thực tế

hi rotor máy phát dao động ở tần số xoắn tự nhiên f n, sinh ra thành phần điện áp phần ứng ở tần số thấp f en  f0 f n và cả thành phần điện áp phần ứng ở tần số cao

0

f  f  f Trong đó thành phần f en rất gần với thành phần fer- tần số cộng hưởng của tự bù dọc trên đường dây Tần số cộng hưởng được tính như sau:

f : Tần số điện công nghiệp

Kết quả là dòng điện tần số thấp chạy trong phần ứng máy phát sinh ra mômen xoắn ở rotor tại tần số f n Nếu mômen này lớn hơn khả năng hãm vốn có của hệ turbine-máy phát ở mode n, sẽ xuất hiện dao động duy trì ho c lớn lên trong rotor máy phát Hiện tượng này được biết đến là tương tác xoắn

Mômen xoắn quá độ

Mô men xoắn quá độ là kết quả của nhiễu loạn hệ thống Nhiễu loạn này gây

ra những thay đổi đột ngột trong hệ thống điện, kết quả là những thay đổi này làm dòng điện sẽ có xu hướng dao động ở các tần số tự nhiên của chúng Trong hệ thống truyền tải không có tụ bù dọc, các quá trình quá độ này thường là quá độ một chiều, hiện tượng này sẽ suy giảm về không với hằng số thời gian phụ thuộc vào tỉ số L/R Đối với hệ thống có tụ bù dọc, dòng quá độ sẽ bao gồm một ho c nhiều tần số dao động phụ thuộc vào các thành phần C cũng như L và R của hệ thống Ví dụ sẽ chỉ

có một tần số tự nhiên nhưng với hệ thống có nhiều tụ bù dọc thì sẽ có nhiều tần số dưới đồng bộ Nếu bất kỳ một tần số nào trong đó trùng khớp với một kiểu dao động tự nhiên của turbine máy phát thì sẽ có thể có mômen xoắn cực đại tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện dao động Dòng điện từ sự cố ngắn mạch có thể sinh ra mô men xoắn trên trục rất lớn ở cả lúc sự cố cũng như khi sự cố đã được loại trừ Trong thực tế có thể có rất nhiều tần số dưới đồng bộ và việc phân tích chúng cũng hết sức phức tạp [2, 4]

Nhận xét

Việc nghiên cứu hiện tượng SSR đã được các nhà khoa học quan tâm từ những năm 1930, có rất nhiều hướng nghiên cứu nhưng hiện nay các nghiên cứu đều tập trung vào việc nghiên cứu tương tác xoắn gây nên cho turbine máy phát do hiện tượng cộng hưởng tần số thấp

Trong số ba dạng tương tác được mô tả ở trên, hai dạng đầu tiên có thể được coi là những điều kiện có nhiễu nhỏ Loại thứ ba không phải là một nhiễu nhỏ và cần phải có những đ c tính phi tuyến của hệ thống để đưa vào để xét trong phân tích Từ lý thuyết về phân thích hệ thống, hiện tượng tự cảm máy phát và tương tác xoắn có thể được phân tích bằng mô hình tuyến tính, rất thích hợp với phương pháp phân tích trị riêng sẽ được đề cập ở những phần sau của luận văn

Vì vây, luận văn sẽ tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu hiệu ứng tương tác xoắn của hiện tượng SSR [2]

1.3.3 Hậu quả của hiện tượng SSR

Hậu quả của hiện tượng cộng hưởng tần số thấp rất nghiêm trọng Nếu tương tác xoắn tích tụ, thì hậu quả vô cùng nghiêm trọng Ngay cả trường hợp nếu dao động không ổn định, nhiễu loạn hệ thống gây ra mômen xoắn trên trục turbine với tần số lớn làm mỏi trục dẫn đến giảm tuổi thọ của trục turbine máy phát và nghiêm trọng hơn cả có thể gây hỏng hóc và phá hủy hoàn trục turbine máy phát [5]

Hình 3: Trục turbine tổ máy số nhà máy nhiệt điện bị phá hủy do hiện tượng SSR

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ CƠ - ĐIỆN CỦA MÁY PHÁT

ĐIỆN ĐỒNG BỘ

2.1 Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ

Hầu hết dòng điện ba pha được phát bởi máy điện đồng bộ ba pha làm việc ở chế độ máy phát điện Máy phát đồng bộ cũng được gọi là máy phát điện xoay chiều Các loại máy phát điện công suất lớn dùng để sản xuất ra điện ở các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện…đều là máy phát điện đồng bộ Hiệu suất và tính kinh tế cao khiến cho máy phát điện đồng bộ công suất lớn được sử dụng rộng rãi [1]

2.1.1 ết cấu v nguyên cơ ản

Phần tĩnh Stator): Phần tĩnh có dạng hình trụ tròn, rỗng gồm mạch từ được

gh p bằng những lá th p kỹ thuật điện và cuộn dây ba pha A , BY, C đ t lệch

nhau trong không gian một góc 120 độ điện

Phần quay otor): Phần quay là nam châm điện có một hay một số đôi cực với cuộn dây được kích từ bằng dòng một chiều

Hình 4: Kết cấu máy phát điện đồng bộ ba pha

Máy phát điện G được quay bởi turbine T Turbine cung cấp cho máy điện momen cơ T mech có tính phát động làm cho máy phát điện quay với vận tốc n Máy

phát điện nhận momen cơ của turbine và biến thành momen điện T e xác định bởi tích số của công suất P và vận tốc góc đồng bộ 0 (T e P0) Trong chế độ làm việc bình thường vận tốc rotor không đổi và luôn bằng vận tốc đồng bộ Do đó, tổng momen tác dụng lên trục rotor phải cân bằng:

vỡ vì tải thay đổi và vì nhiều nguyên nhân khác Mỗi khi tải tăng lên, momen hãm trên trục rotor tăng lên khiến rotor bị hãm tốc, khi đó cần phải tăng thêm năng lượng vào turbine để tăng momen cơ đến bằng momen điện Nếu tải giảm xuống, tức là momen hãm giảm xuống thì thao tác đối với turbine phải ngược lại

Trong chế độ làm việc bình thường, dòng ba pha phần tĩnh I A, I B, I C lệch pha nhau về thời gian một góc ằng 120 độ, trong khi đó cuộn dây ba pha A , BY,

C lại đ t lệch nhau trong không gian một góc 120 độ, kết quả là từ trường tổng hợp của dòng ba pha phần tĩnh là từ trường quay với vận tốc đồng bộ và cùng chiều với vận tốc rotor R Do từ trường phần tĩnh và rotor quay đồng bộ với nhau, từ trường quay phần tĩnh không qu t rotor, vì vậy, trong rotor không có dòng cảm ứng

mà chỉ có dòng kích từ một chiều [1]

2.1.2 Đặc đi m v phân oại

Trong nghiên cứu này ta chỉ khảo sát các máy phát điện làm việc trong hệ thống điện Trong hệ thống điện có hai loại máy phát là máy phát nhiệt điện và máy phát thủy điện

Máy phát nhiệt điện

Máy phát nhiệt điện thuộc loại quay nhanh, có vận tốc lớn hi vận tốc quay lớn, kích thước máy sẽ nhỏ (giảm được tiêu hao vật liệu trên một đơn vị công suất)

và hiệu suất máy cao Vận tốc quay n của máy phát điện có quan hệ với tần số f và

số đôi cực p như sau:

60 f

n p

Do vận tốc quay lớn nên rotor phải có độ bền cao, phải được gia công bằng

r n liền khối và có dạng cực ẩn Đường kính của nó không thể lớn vì lực ly tâm tỷ

lệ với đường kính Do khe hở không khí giữa rotor và stator không thể lớn nên đường kính trong của stator cũng nhỏ Vì vậy nhìn chung kích thước của máy phát nhiệt điện nhỏ gọn Máy phát điện có thể chế tạo hàng loạt theo tiêu chuẩn Ứng với thang công suất định mức nhất định của máy phát điện, người ta chế tạo thang công suất định mức của tubine tương ứng

Trong vận hành không thể tăng đột ngột công suất của máy phát nhiệt điện Tốc độ tăng công suất của nó bị hạn chế bởi sự giãn nở nhiệt của phần turbine và hệ thống cung cấp hơi Sau khi khởi động, để tăng công suất đến định mức phải mất hàng giờ Hiện nay phần lớn các nhà máy nhiệt điện thường làm việc theo sơ đồ khối lò – turbine – máy phát điện Do đó các máy phát nhiệt điện không thể làm việc với phụ tải thấp tùy Trong vận hành, máy phát nhiệt điện phải phát công suất lớn hơn hay bằng công suất cực tiểu kỹ thuật Đó là công suất xác định bởi điều kiện cho ph p làm việc của phần nhiệt (lò hơi và turbine) Nếu vận hành với công suất nhỏ hơn cực tiểu kỹ thuật thì lò hơi làm việc không ổn định và có thể tắt nếu

không phun bổ sung thêm nhiên liệu Công suất cực tiểu kỹ thuật của máy phát nhiệt điện bằng khoảng 30 – 40% công suất định mức

Máy phát thủy điện

Ngược lại với máy phát nhiệt điện, máy phát thủy điện thuộc loại quay chậm

vì vận tốc quay của máy phát thủy điện phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy và chiều cao cột nước hiệu dụng tại nơi đ t nhà máy Do vận tốc quay nhỏ nên số đôi cực của máy phát thủy điện lớn hơn nhiều so với máy phát nhiệt điện Vì có nhiều cực nên rotor phải có dạng lắp gh p và kích thước mỗi cực không thể nhỏ để tránh bão hòa mạch từ, do đó rotor của máy phát thủy điện có dạng cực lồi, đường kính lớn, khiến rotor của thủy điện k m bền Tuy nhiên do vận tốc quay nhỏ nên lực ly tâm khi quay không lớn Do đường kính rotor lớn nên đường kính của stator cũng lớn cho nên kích thước của máy phát thủy điện lớn hơn nhiều so với máy phát nhiệt điện

Do hiện tượng cộng hưởng tần số thấp chỉ xảy ra với nhà máy có rotor turbine dạng lắp ráp các khối trục nên hiện tượng này chỉ xảy ra với các nhà máy nhiệt điện Do

đó, luận văn chỉ x t đến loại rotor nhiệt điện có dạng cực ẩn [1]

2.2 Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ

Trong máy phát đồng bộ hai cực, trục dọc d là trục của cực bắc N Trục ngang q vượt trước trục d một góc 90điện Trong điều kiện không tải, khi trong

máy chỉ có từ trường kích thích, sức từ động của từ trường sẽ hướng theo trục d và sức điện động của dây quấn stato sẽ hướng dọc trục q Mô hình được xây dựng

trong phần này dựa trên khái niệm máy điện đồng bộ lí tưởng có 2 cực từ Từ

trường tạo bởi các dòng điện trong dây quấn được coi là phân bố hình sin dọc theo

khe hở không khí Như vậy chúng ta đã bỏ qua các sóng từ trường bậc cao có ảnh hưởng đến các đ c tính của máy và cho rằng rãnh của stato không ảnh hưởng đến điện kháng của roto dù vị trí góc của nó như thế nào M c dù sự bão hoà mạch từ không được tính một cách rõ ràng trong mô hình này nhưng ta có thể hiệu chỉnh điện kháng theo hai trục bằng hệ số bão hoà hay đưa thêm phần tử bù vào từ trường kích thích [4] Mô hình mạch của một máy điện đồng bộ như hình vẽ:

Hình 5: Mạch điện đặc trưng của máy điện lý tưởng

2.2.1 Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ a c

Trong chế độ động cơ, điện áp đ t vào cân bằng với điện áp rơi trên điện trở

và điện kháng Phương trình điện áp của các dây quấn Stator và rotor dưới dạng ma trận:

0 0

Phương trình điện áp Stator

r - điện trở của dây quấn cản trên trục q

Nhận x t

hi biểu diễn các phương trình của máy phát điện đồng bộ trên hệ tọa độ abc

ta thấy rằng số lượng biến lớn sẽ rất phức tạp trong việc mô phỏng máy phát điện

Vì vậy, để đơn giản hơn cho việc mô phỏng ta sẽ biến đổi các đại lượng về hệ tọa

độ quay qd0 của rotor [4]

2.2.2 Biến đổi các đại ượng Stator về hệ tọa độ dq0 của Rotor

Trong các máy điện l tưởng các trục của dây quấn rotor là d và q Phép biến đổi về hệ tọa độ dq0 chỉ cần áp dụng cho các dây quấn stator Dưới dạng vector, ta

định nghĩa một ma trận biến đổi phụ:

d0( ) 00

q r T C

Hình 6: Sơ đồ đẳng trị của mạch qd0

2.2.4 Mômen điện từ của máy điện đồng bộ

Tổng công suất đầu vào của máy điện đƣợc cho bởi :

hi các đại lượng pha của stator được quy đổi về hệ tọa độ qd0 của rotor với

tốc độ quay r

r

d dt

2.2.5 Quan hệ giữa các dòng điện và từ thông móc vòng

Thông thường khi mô phỏng máy phát điện đồng bộ, ta thường sử dụng biến trạng thái là từ thông móc vòng của các dây quấn:

' ' ' '

' l

' l

i L

i L

Sử dụng biểu thức của dòng điện trên dây quấn trục d, và thay thế vào biểu thức md, ta nhận được :

1 1

1 1

2.2.6 Phương trình chuy n động của Rotor

Trong chế độ động cơ, mô men gia tốc T emT mechT damp, tác động cùng chiều quay của roto Ở đây, mô men T em là mô men được sinh ra bởi máy, có dấu dương khi máy ở chế độ động cơ và có dấu âm trong chế độ máy phát T mech, là mô men tải bên ngoài trong chế độ động cơ và là mô men của động cơ sơ cấp trong chế độ máy phát Dấu âm trong chế độ động cơ và đấu dương khi nó ở chế độ máy phát T damp là

mô men cản dịu tác động ngược chiều quay của roto Phương trình mô men gia tốc tính theo mô men quán tính ta có :

Tiến hành mô phỏng mô hình một máy phát nối với một nút vô cùng lớn:

Hình 7: Sơ đồ máy phát điện nối với nút có công suất vô cùng lớn

MFĐ

Hệ thống có công suất

vô cùng lớn

Các phương trình của dây quấn có thể dùng để mô phỏng máy phát điện đồng

bộ bằng cách dùng điện áp là đầu vào và dòng điện làm đầu ra Điện áp của các pha abc, điện áp kích thích và momen cơ là đầu vào chính [4]

2.3.1 Các bi u thức điện áp trong hệ tọa độ quay qd0

Điện áp các pha abc của dây quấn Stator phải được biến đổi về hệ tọa độ qd gắn với Rotor Khi mô phỏng, giá trị của cosr( )t và sinr( )t có thể nhận được từ mạch dao động có tần số biến thiên và đ t giá trị đầu của r [4]

Phép biến đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ qd0 đứng yên

  : lần lượt là các vector cột của các thành phần điện áp trong hệ qd0

đứng yên và điện áp các pha abc

2.3.2 Các bi u thức dòng điện trong hệ tọa độ qd0 quay

Biểu diễn các phương trình điện áp dưới dạng các phương trình tích phân của các từ thông móc vòng của các dây quấn Các phương trình điện áp Stator qd0 ở trên cùng với các đầu vào khác có thể được dùng trong phương trình tích phân để tìm ra các từ thông móc vòng của các dây quấn [4]

Trong trường hợp máy chỉ có một dây quấn kích thích trên trục d và một c p dây quấn cản trên trục d và q thì phương trình tích phân của các từ thông móc vòng của các dây quấn sẽ có dạng sau:

s r

' '

'

kd md kd

'

kq mq kq

'

f md f

Các bi u thức dòng điện trong hệ tọa độ pha abc

Các dòng điện qd của dây quấn Stator có thể biến đổi ngược về các dòng điện trong hệ tọa độ abc tương tự dựa trên các quy đổi đã nêu ở phần 1 [4]

2.3.3 Các bi u thức momen v phương trình chuy n động của Rotor

Để nghiên cứu hệ thống năng lượng mà trong đó có rất nhiều thiết bị có công suất khác nhau người ta thường dùng hệ đơn vị tương đối Khi khảo sát quá trình quá độ, người ta thường các giá trị biên độ thay cho giá trị hiệu dụng [4]

Điện áp cơ sở 2

3

d b

S I V



Tổng trở cơ sở là b

b b

V Z I

  (Trong đó:bmlà tốc độ góc cơ và blà tốc độ góc điện)

Mô men trong hệ đơn vị tương đối là:

P

i i T

T

T

V I p

2.3.4.1 Thông số máy phát đồng bộ và mô hình mô phỏng

Để xem xét kỹ hơn về hệ cơ – điện của máy phát điện đồng bộ, tiến hành mô phỏng trường hợp máy phát ba pha nối với nút có công suất vô cùng lớn, để làm rõ

đ c tính làm việc của máy phát với bảng thông số máy phát được cho ở dưới đây [3, 2]:

Bảng 1: Thông số máy phát điện đồng bộ

Tiến hành các kịch bản mô phỏng sau:

- Thay đổi điện áp kích thích

- Thay đổi mômen cơ của máy phát