Phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện

Tuy nhiên, việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải lại là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ Subsynchronous Resonance-SSR, dẫn đến sự c

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

-

ĐINH VĂN ĐẠT

PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRƯƠNG NGỌC MINH

Hà Nội – Năm 2018

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ dưới đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, thông tin trích dẫn trong luận văn này hoàn toàn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố Những tài liệu tham khảo trong luận văn đã được nêu rõ ràng trong phần tài liệu tham khảo Các kết quả thu được của luận văn chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào khác

Hà N ội, ngày 30 tháng 9 năm 2018

H ọc viên thực hiện

Đinh Văn Đạt

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ - SSR 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ - SSR 3

1.2.1 Lý thuyết về cộng hưởng tần số dưới đồng bộ 3

1.2.2 Hiện tượng tự kích từ (Self Excitation) 5

1.2.3 Mô men xoắn quá độ (Transient torque) 7

1.2.4 Ảnh hưởng của SSR đối với hệ trục Turbine 8

1.3 Các phương pháp phân tích, đánh giá hiện tượng SSR 9

1.3.1 Phương pháp quét tần số 9

1.3.2 Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực 10

1.3.3 Phương pháp trị riêng 10

1.4 Kết luận 10

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ TURBINE – MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA 11

2.1 Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ 11

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 11

2.1.2 Phân loại máy phát điện đồng bộ ba pha trong hệ thống 13

2.2 Mô hình toán học của máy phát đồng bộ ba pha 15

2.2.1 Tự cảm, hỗ cảm trong các cuộn dây 17

2.2.2 Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ pha 19

2.2.3 Biến đổi về hệ tọa độ quay dq0 của rotor 21

2.2.4 Quy đổi các đại lượng rotor về stator 24

2.2.5 Các phương trình điện áp, từ thông trong hệ tọa độ qdo 26

2.2.6 Mô men điện từ của máy điện đồng bộ 27

2.2.7 Mối quan hệ giữa đại lượng dòng điện và từ thông 27

2.2.8 Phương trình chuyển động của Rotor 28

2.3 Mô hình toán học biểu diễn hệ trục turbine – máy phát 29

2.4 Kết luận 35

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRỊ RIÊNG ĐỂ PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ 36

3.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp trị riêng 36

3.1.1 Các đặc trưng của ma trận trạng thái A 37

3.1.2 Phân tích ổn định của hệ thống dựa vào giá trị riêng 38

3.2 Phân tích tương tác xoắn trên trục turbine 39

3.2.1 Tần số dao động tự nhiên của trục turbine máy phát 39

3.3 Phân tích dao động riêng của hệ trục Turbine – máy phát 43

3.3.1 Phân tích giá trị riêng và các chế độ dao động 44

3.3.2 Nhận xết kết quả phân tích trị riêng và vector riêng 48

3.3.3 Các đại lượng của hệ turbine - máy phát điện trong mô hình theo các mode dao động 49

3.4 Kết luận 50

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ VỚI SƠ ĐỒ IEEE SBM 51

4.1 Xây dựng mô hình các phần tử trong hệ thống điện 51

4.1.1 Mô hình máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha 51

4.1.2 Phép biến đổi qd0 cho mạch RL nối tiếp 59

4.1.3 Phép biến đổi qd0 cho mạch điện dung song song 64

4.1.4 Mô hình hóa tụ bù dọc 67

4.2 Mô phỏng hệ thống với sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark 68

4.2.1 Sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark - FBM 68

4.2.2 Kịch bản và kết quả mô phỏng 68

4.2.3 Nhận xét 71

4.3 Sơ đồ IEEE Second BenchMark 71

4.3.1 Mô hình sơ đồ SBM trên Mathlab/Simulink 73

4.3.2 Tính toán giá trị bù dọc trên đường dây tương ứng với từng mode dao động

của trục turbine 74

4.4 Phân tích trị riêng và kết quả mô phỏng ứng với các giá trị bù 76

4.4.1 Với giá trị bù 76.23% (tương ứng với mode 2) 76

4.4.2 Với giá trị bù 57.21% (tương ứng với mode 3) 78

4.4.3 Với giá trị bù 37.03% (tương ứng với mode 4) 80

4.4.4 So sánh biên độ dao động của momen xoắn tại từng khối trục 82

4.4.5 Phân tích ảnh hưởng của dòng điện tới biên độ mô men xoắn 85

KẾT LUẬN CHUNG 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống điện có tụ bù dọc 3

Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống turbine máy phát 4

Hình 1.3:Mô hình mạch tương đương hiệu ứng không đồng bộ máy phát 6

Hình 1.4: Trục turbine nhà máy nhiệt điện bị phá hủy do hiện tượng SSR 9

Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện đồng bộ ba pha 12

Hình 2.2: Mô hình mạch Rotor và Stator của máy phát đồng bộ 15

Hình 2.3: Mô hình hệ trục Turbine 6 khối 31

Hình 2.4: Mô hình khối LPB-GEN 31

Hình 2.5: Cấu trúc cơ khí của hệ trục turbine 6 khối 32

Hình 3.1: Các tần số dao động tự nhiên và dạng dao động của trục turbine máy phát điện 47

Hình 4.1: Khối tạo dao động 51

Hình 4.2: Khối điện áp đầu cực 52

Hình 4.3: Khối chuyển đổi điện áp pha2qd0 53

Hình 4.4: Khối phương trình vi phân của máy phát trên trục q 54

Hình 4.5: Khối phương trình vi phân của máy phát trên trục d 55

Hình 4.6: Khối Rotor máy phát 56

Hình 4.7: Khối chuyển đổi tín hiệu qdr2pha 56

Hình 4.8: Khối VIPQ 57

Hình 4.9: Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ trên Mathlab 58

Hình 4.10: Sơ đồ mô tả mạch RL nối tiếp ba pha với dây trung tính 59

Hình 4.11: Sơ đồ tương đương qd0 của đường dây RL nối tiếp 62

Hình 4.12: Sơ đồ tương đương qd0 của đường dây RL nối tiếp khi bỏ qua thành phần hỗ cảm giữa các pha 63

Hình 4.13: Mô hình khối Series RL trong Mathlab 64

Hình 4.14: Sơ đồ mô tả mạch điện dung song song của đường dây ba pha 64

Hình 4.15: Mạch điện qd0 của mạch điện dung song song 66

Hình 4.16: Mô hình khối ShuntCap trong Mathlab 67

Hình 4.17: Mô hình khối Cap trong Mathlab 67

Hình 4.18: Sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark 68

Hình 4.19: Mô phỏng sơ đồ chuẩn IEEE First Benchmark bằng MATLAB/SIMULINK 69

Hình 4.20: Kết quả tiến hành mô phỏng thực tế 70

Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của IEEE [4] 70

Hình 4.22: Sơ đồ IEEE Second Benchmark System 71

Hình 4.23: Sơ đồ IEEE SBM trên Mathlab/Simulink 73

ạng dao động của trục turbin tương ứng với từng mode

Hình 4.25: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 76.3% 77

Hình 4.26: Dao động mô men trên các khớp trục Turbine khi bù 76.3% 77

Hình 4.27: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 57.21% 79

Hình 4.28: Dao động mô men trên các khớp trục Turbine khi bù 57.21% 79

Hình 4.29: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 37.02% 81

Hình 4.30: Dao động mô men trên các khớp trục Turbine khi bù 37.02% 81

Hình 4.31: Momen điện tại các mode dao động 82

Hình 4.32: Momen xoắn trên khớp trục HP-IP 82

Hình 4.33: Momen xoắn trên khớp trục IP-LPA 83

Hình 4.34: Momen xoắn trên khớp trục LPA-LPB 83

Hình 4.35: Momen xoắn trên khớp trục LPB-Gen 83

Hình 4.36: Momen xoắn trên khớp trục Gen-Exc 84

Hình 4.37: Dòng điện máy phát tại các vị trí ngắn mạch 85

Hình 4.38: Momen điện tại các vị trí ngắn mạch 85

Hình 4.39: Momen xoắn trên khớp trục LPA-LPB tại các vị trí ngắn mạch 86

Hình 4.40: Momen xoắn trên khớp trục LPB-Gen tại các vị trị ngắn mạch 86

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Ký hiệu các đại lượng cơ bản máy phát đồng bộ 16

Bảng 2-2: Hệ thống ký hiệu các thông số của máy phát 30

Bảng 3-1: Thông số hệ trục turbine máy phát đồng bộ 44

Bảng 3-2: Hệ số tắt dần tương ứng với từng mode dao động 44

Bảng 3-3: Tần số dao động riêng của khối trục turbine máy phát 46

Bảng 3-4: Các giá trị của vector riêng Q ứng với các mode dao động 46

Bảng 3-5: Các giá trị của vector riêng Q sau khi biến đổi 47

Bảng 3-6: Các đại lượng mode của hệ turbine – máy phát 49

Bảng 4-1: Thông số hệ thống điện trong sơ đồ FBM 68

Bảng 4-2: Thông số phần điện của hệ 2 máy phát 71

Bảng 4-3: Thông số hệ trục Turbine-máy phát cùa 2 máy phát 72

Bảng 4-4: Thông số hệ thống điện 72

Bảng 4-5: Bảng số liệu tính toán giá trị bù tương ứng với các mode dao động 76

L ỜI NÓI ĐẦU

Sử dụng tụ bù dọc là một giải pháp đơn giản và tối ưu trong quá trình vận hành

và truyền tải điện xoay chiều nhằm nâng cao sự ổn định của hệ thống, đồng thời tăng

khả năng tải của đường dây Tuy nhiên, việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền

tải lại là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng

bộ (Subsynchronous Resonance-SSR), dẫn đến sự cố phá hỏng trục turbin máy phát do momen xoắn và làm mất ổn định hệ thống Đề tài:”Phân tích hiện tượng cộng hưởng

t ần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện” có mục đích xây dựng công cụ dùng để

phân tích, đánh giá hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ sử dụng phương pháp

trị riêng kết hợp với xây dựng mô hình mô phỏng trong Mathlab Kết quả tính toán,

mô phỏng mô hình đã phân tích ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây đối với mô men xoắn trên hệ trục turbine của máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha

Nội dung của luận văn được chia làm 4 chương:

Chương 1: Hiện tượng cộng hưởng tần số thấp

Chương 2: Mô hình hệ turbine - máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha

Chương 3: Áp dụng phương pháp trị riêng để phân tích hiện tượng cộng hưởng

trục trên trục turbine của máy phát, và ảnh hưởng của dòng sự cố đối với biên độ của

mô men xoắn Đề tài có thể được sử dụng làm cơ sở cho phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ đối với lưới điện cụ thể

Dù tác giả đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian và trình độ chuyên môn nên luận văn không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được những ý kiến góp ý của thầy cô, bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đến thầy giáo TS Trương

Ng ọc Minh, bộ môn Hệ Thống Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình

hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và người thân đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều

kiện hoàn thiện luận văn này

Hà N ội, ngày 30 tháng 9 năm 2018

CHƯƠNG 1: HI ỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI

ĐỒNG BỘ - SSR

1.1 Gi ới thiệu chung

Việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải điện xoay chiều có giá trị về

mặt kinh tế, tăng khả năng tải của đường dây truyền tải, điều khiển phân bố công suất

giữa các đường dây song song và nâng cao ổn định của hệ thống [1] Tuy nhiên, việc

lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải lại là một trong những nguyên nhân gây ra

hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance-SSR), dẫn đến sự cố phá hỏng trục turbin máy phát do momen xoắn và làm mất ổn định hệ thống

Sự phá hủy này có thể là kết quả của quá trình tích lũy trong thời gian dài của momen

xoắn có biên độ thấp hoặc kết quả trong thời gian ngắn của momen xoắn có biên độ

cao [2] Nhìn chung các nhà máy thủy điện có các thông số cơ khí ít bị ảnh hưởng bởi

hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ hơn các nhà máy nhiệt điện Vì vậy, ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ phải được xem xét, phân tích chi tiết khi triển khai các bài toán lắp đặt tụ bù dọc trên lưới điện [3]

Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (SSR) được đưa ra thảo luận lần đầu tiên vào năm 1937, cho đến năm 1971 thì hiện tượng xoắn trên trục turbine đã

được ghi nhận Hai sự cố phá hỏng trục Turbine [4] tại nhà máy điện Mohave, miền

nam bang Nevada, nước Mỹ vào tháng 11/1970 và tháng 10/1971 yêu cầu về sự nắm

bắt và phát triển lý thuyết về sự ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây truyền tải và

trạng thái xoắn của máy phát turbine hơi

Tại Việt Nam, một sự cố nghiêm trọng đã xảy ra tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng, làm phá hủy trục Turbine máy phát, ngừng hoạt động nhà máy gây thiệt hại nặng

nề về kinh tế Mặc dù không có báo cáo chính thức nào được công bố nhưng các nhà khoa học đều nhận định sự cố này là do hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ gây ra

Vì vậy, việc phân tích, nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (SSR) trong hệ thống điện là vô cùng cấp thiết và có ý nghĩa thực tế [4,5]

1.2 Hi ện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ - SSR

1.2.1 Lý thuy ết về cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

Theo định nghĩa của IEEE [4,5]:“Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ

(Subsynchronous Resonance-SSR) là điều kiện vận hành của hệ thống mà ở đó có sự trao đổi năng lượng giữa hệ thống và Turbine máy phát ở một hoặc một vài tần số dưới đồng bộ”

Cộng hưởng tần số dưới đồng bộ là một điều kiện có thể tồn tại trong hệ thống điện, ở đó hệ thống có tần số dao động riêng dưới tần số định mức (50 hoặc 60 Hz) Dòng điện trong lưới điện xoay chiều có hai thành phần: thành phần thứ nhất ở tần số định mức; thành phần còn lại phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống Biểu thức dòng

điện cho mạch R-L-C nối tiếp được biểu diễn như sau [5]:

ω = ω =ω −ζ = − là thành phần dao động tắt dần hình sin

Trong cuộn dây stator của máy phát cũng có một dòng điện tương tự dòng điện trong công thức (1.1) và sinh ra dòng điện cảm ứng trên cuộn dây roto của máy phát Quá trình này được mô tả thông qua ma trận truyền Park [5]

2 1

Thành phần dòng điện ban đầu đã bị biến đổi sang thành phần dòng điện có tần

số trên đồng bộ (ω ω1+ 2)và thành phần dòng điện có tần số dưới đồng bộ (ω ω1− 2) Thành phần dòng điện dưới đồng bộ này sinh ra momen xoắn tác động lên trục roto máy phát, làm roto dao động ở tần số dưới đồng bộ

Trục turbine máy phát là một cơ cấu quay, được cấu tạo bởi nhiều khối gắn liền bao gồm turbine cao áp, trung áp, hạ áp, roto máy phát, kích từ Các khối này không

được nối cứng với nhau, làm việc giống hệ lò xo nên khi hoạt động thì chính bản thân

nó cũng có các kiểu dao động tự nhiên ở một vài tần số tự nhiên nào đó dưới đồng bộ

Vấn đề xảy ra khi tần số momen xoắn trùng với một kiểu dao động tự nhiên nào

đó của trục thì momen này sẽ dao động ở tần số tự nhiên này nhưng với biên độ lớn hơn rất nhiều lần Hiện tượng này gọi là hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ Sự cố

xảy ra có thể gây hư hỏng hoặc phá hủy trục Turbine của máy phát

Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) xuất hiện dưới hai dạng như sau [5]:

- Tự kích từ (Self Excitation): cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ở trạng thái ổn định

- Mô men xoắn quá độ (Transient torques): cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ở trạng thái quá độ

1.2.2 Hi ện tượng tự kích từ (Self Excitation)

Dòng điện thành phần dưới đồng bộ đi vào các đầu cực máy phát sinh ra thành

phần điện áp đầu cực dưới đồng bộ Thành phần điện áp này cảm ứng lên cuộn dây roto điện áp cảm ứng dưới đồng bộ và duy trì dòng điện trên cuộn dây roto máy phát,

Hiện tượng này gọi là tự kích từ Có hai loại tự kích từ: một loại liên quan đến phần điện động rôto, gọi là hiệu ứng cảm ứng máy phát; một loại liên quan đến phần cơ điện động rotor, gọi là tương tác xoắn Hiêu ứng tương tác xoắn nguy hiểm hơn so với hiệu ứng cảm ứng máy phát

1.2.2.1 Hi ện tượng tự cảm máy phát (Induction Generator Effect)

Hiện tượng cảm ứng máy phát là hiện tượng thuần về điện của hệ thống điện Thành phần dòng điện có tần số dưới đồng bộ do tụ bù gây ra sẽ cảm ứng sang roto máy phát, làm xuất hiện từ trường dao động với tần số dưới đồng bộ trong khi roto vẫn quay với tốc độ cơ bản Khi đó sơ đồ thay thế máy phát sẽ giống như sơ đồ thay thế

của máy điện đồng bộ

Hình 1.3:Mô hình m ạch tương đương hiệu ứng không đồng bộ máy phát

Điện trở Rotor nhìn từ phần ứng và hệ thống được xác định theo biểu thức sau:

' r

r

R R s

er 0 er

f f s

f : Tần số của thành phần duới đồng bộ của dòng phần ứng

R f R

1.2.2.2 Tương tác xoắn (Torsional Interaction)

Tương tác xoắn xuất hiện khi momen tần số thấp gần với một trong những chế

độ dao động tự nhiên của trục turbine máy phát Tương tác xoắn là hiện tượng bao

gồm cả đặc tính của hệ cơ và đặc tính của hệ điện Giữa hai hệ này có thể có một hoặc nhiều tần số tự nhiên Tần số tự nhiên của hệ điện được là f và ter ần số riêng 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

khối-trục Sẽ có (n−1) chế độ dao động tương tác xoắn với turbine n khối Khi Rotor máy phát dao động ở tần số xoắn tự nhiên f , sinh ra thành ph n ần điện áp phần ứng ở tần số

thấp f en− = f0 − và cf n ả thành phần điện áp phần ứng ở tần số cao f en+ = f0 + Trong f n

đó thành phần f en− rất gần với thành phần f - ter ần số cộng hưởng của tụ 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 momen

xoắn ở rotor tại tần số f N n ếu momen này lớn hơn khả năng cản của hệ turbine-máy phát, sẽ xuất hiện dao động duy trì hoặc tăng lên trong rotor máy phát Hiện tượng này được gọi là tương tác xoắn

1.2.3 Mô men xo ắn quá độ (Transient torque)

Mô men xoắn quá độ là kết quả do kích động trong hệ thống Các kích động này gây ra những thay đổi đột ngột trong hệ thống điện làm cho dòng điện 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 hoặc 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 momen 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 [5,6]

1.2.4 Ảnh hưởng của SSR đối với hệ trục Turbine

Tác động nhiễu của hệ thống gây ra do sự cố trên lưới điện có thể kích thích dao động mô men xoắn trên rotor máy phát Dựa vào hiện tượng SSR, thành phần tần số dưới đồng bộ của mô men xoắn có thể có biên độ lớn tức thời sau khi có nhiễu, mặc dù

thực tế vẫn có sự suy giảm Mỗi lần xuất hiện mô men quá độ có biên độ lớn sẽ dẫn đến giảm sút tuổi thọ của trục do mỏi trục Độ mỏi được xem là một quá trình thay đổi

cấu trúc vĩnh cữu cục bộ trên vật liệu ở điều kiện hình thành các ứng suất thay đổi và

biến dạng tại một số điểm hoặc nhiều điểm Biến dạng có thể đạt đến cực điểm gây gãy hoàn toàn sau một số dao động bất thường có biên độ đủ lớn Đó được xem như

một quá trình tích lũy khi các sự cố diễn ra được cộng dồn vào sự suy giảm tuổi thọ

của lần mỏi trước Nếu có đủ số lần diễn ra quá trình mô men xoắn quá độ cao, độ mỏi tích lũy đạt đến ngưỡng và khả năng hình thành các vết nứt do mỏi tập trung ở vùng ứng lực cao sẽ đáng kể Khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, sự phá hỏng sẽ lan rộng dẫn đến phá hỏng không có khả năng phục hồi và gãy trục hoàn toàn

Hậu quả của hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ rất nghiêm trọng Nếu dao động không ổn định, nhiễu loạn hệ thống gây ra momen 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 [2]

Hình 1.4: Tr ục turbine nhà máy nhiệt điện bị phá hủy do hiện tượng SSR

1.3 Các phương pháp phân tích, đánh giá hiện tượng SSR

Ảnh hưởng tương tác xoắn liên quan đến sự trao đổi năng lượng giữa hệ thống turbine máy phát điện và các thành phần của lưới điện như điện kháng, điện dung Vì

vậy, phương pháp nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ đòi hỏi phải

mô tả đầy đủ mô hình turbine máy phát điện và lưới điện

Một số phương pháp dưới đây được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ :

1.3.1 Phương pháp quét tần số

Phương pháp quét tần số được sử dụng rộng rãi ở Bắc Mĩ để phân tích sơ bộ các

vấn đề SSR và thường dùng nhiều cho nghiên cứu tác động của hiện tượng cảm ứng máy phát Phương pháp này tính toán điện trở, điện kháng tương đương (là hàm của

tần số) nhìn vào hệ thống từ cuộn stato của máy phát nào đó Tại những tần số mà

điện cảm bằng 0 và điện trở âm, dao động tự kích ở tần số đó có thể xảy ra [2,5]

Phương pháp cũng có thể cung cấp các thông tin cho biết khả năng, vị trí các nhà máy, đường dây lắp đặt tụ bù dọc có thể xảy ra hiện tượng SSR

Giới hạn của phương pháp này là cách nhìn điện kháng từ một điểm cố định trên

hệ thống (cuộn stato của máy phát) Quá trình phải thực hiện lặp lại do các điều kiện khác nhau của hệ thống ở các điểm máy phát khác nhau

1.3.2 Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực

Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực sử dụng phần mềm EMTP (Electromagnetic Transient Program) để tính toán thời gian phản hồi quá độ Phương pháp này rất phù hợp trong việc phân tích momen xoắn quá độ trên trục turbine máy phát điện do hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ gây nên

1.3.3 Phương pháp trị riêng

Phương pháp này được thực hiện với mô hình turbine máy phát điện và lưới

điện được mô tả bằng hệ các phương trình vi phân tuyến tính

Ưu điểm của phương pháp trị riêng so với các phương pháp còn lại là xác định chính xác các tần số gây có thể gây cộng hưởng, dễ dàng đánh giá được mức độ nguy

hiểm của các mode cộng hưởng trên hệ turbine – máy phát và có thể sử dụng nhiều công cụ khác nhau để xử lý hệ phương trình vi phân tuyến tính

Vì vậy, trong quyển Luận văn này, tác giả sẽ sử dụng phương pháp phân tích trị riêng làm công cụ phục vụ cho phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện

1.4 K ết luận

Trong chương này, tác giả giới thiệu khái quát nhất về hiện tượng cộng hưởng

tần số dưới đồng bộ - SSR, phân tích các dạng của hiện tượng SSR để chỉ ra ảnh hưởng của SSR đối với hệ trục turbine – máy phát nhiệt điện trong hệ thống điện là rất nguy hiểm Vì vậy, cần phải xây dựng phương pháp phục vụ cho nghiên cứu, phân tích

hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện

Từ những phân tích về các dạng tương tác SSR, tác giả nhận thấy phương pháp phân tích trị riêng kết hợp với xây dựng mô hình mô phỏng trên Mathlab là phù hợp cho việc nghiên cứu hiện tượng SSR Để áp dụng phương pháp này, thì các phần tử trong hệ thống điện gồm: máy phát điện đồng bộ ba pha, hệ trục turbine – máy phát, và lưới điện cần phải được tuyến tính hóa Mô hình toán học biểu diễn hệ turbine – máy phát nhiệt điện sẽ được giới thiệu trong nội dung chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH H Ệ TURBINE – MÁY PHÁT NHIỆT

4 khối cũng đã được xây dựng trong MATHLAB Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là tính chính xác thấp và không phù hợp với các nhà máy nhiệt điện hiện đại có số

khối của trục tuabin – máy phát lớn hơn 4 khối Vì vậy, trong chương này, tác giả đi phân tích hệ turbine - máy phát nhiệt điện đồng bộ 3 pha Đây là cơ sở lý thuyết quan

trọng để xây dựng mô hình máy phát điện và áp dụng phương pháp trị riêng vào nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ SSR

2.1 Gi ới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện, là nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống Các máy phát 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 [3]

2.1.1 C ấu tạo và nguyên lý làm việc

Máy phát đồng bộ gồm hai thành phần chính:

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

ghép bằng những lá thép kỹ thuật điện và cuộn dây ba pha AX, BY, CZ đặt lệch nhau

trong không gian một góc 120 độ điện

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

Hình 2.1: C ấu tạo 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 ω0 (T e =Pω0) 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:

0

mech e

Vì vậy, T mech = − , tức là momen điện và momen cơ ngược chiều nhau Như T e

vậy, momen điện có tính chất hãm Một tải tiêu thụ công suất P, tức là tải đã tạo nên một momen điện có tính hãm trên trục rotor của máy phát điện có giá trị bằng tích số P nhân với vận tốc góc đồng bộ ω0

Momen điện và cơ đều đặc trưng cho năng lượng hữu ích nên luôn có dấu dương vì vậy điều kiện cân bằng momen được viết lại là:

Vấn đề quan trọng nhất của vận hành máy phát điện là đảm bảo cho vận tốc luôn không đổi và bằng tốc độ đồng bộ Muốn vậy phải đảm bảo sự cân bằng giữa momen cơ và momen điện Trong vận hành, sự cân bằng này luôn có xu thế bị phá 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 bằng 120 độ, trong khi đó cuộn dây ba pha AX, BY, CZ lại đặt 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 ωR Do từ trường phần tĩnh và rotor quay đồng bộ với nhau, từ trường quay phần tĩnh không quét rotor Vì vậy, trong rotor không có dòng cảm ứng mà chỉ có dòng kích

từ một chiều

2.1.2 Phân lo ại máy phát điện đồng bộ ba pha trong hệ thống

Trong hệ thống điện có hai loại máy phát điện công suất lớn là máy phát nhiệt điện và máy phát thủy điện

2.1.2.1 Máy phát th ủy 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 đặt 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 ghép 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 kém 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

2.1.2.2 Máy phát nhi ệt điện

Máy phát nhiệt điện thuộc loại quay nhanh, có vận tốc lớn Khi 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 rèn liền khối và có dạng cực ẩn Đường kính của rotor 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 nhiệt 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 hơi – turbine – máy phát điện” Do đó các máy phát nhiệt điện không thể làm việc với phụ tải thấp tùy ý 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 phép 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

Do hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ chỉ xảy ra với máy phát có tốc

độ quay lớn, rotor - turbine dạng lắp ráp các khối trục nên hiện tượng này chỉ xảy ra

với các nhà máy nhiệt điện Do đó, trong Luận văn này, tác giả chỉ xét đến loại rotor nhiệt điện có dạng cực ẩn [3]

2.2 Mô hình toán h ọc của máy phát đồng bộ ba pha

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 chỉ có từ trường kích từ, 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 đặc 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 Mặc 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 Mô hình mạch của một máy điện đồng bộ như hình vẽ:

Trong đó a b c , , : Cuộn dây pha của Stator

fd : Cuộn dây kích từ

kd : Cuộn cản dọc trục

kq : Cuộn cản ngang trục

θ : Góc lệch pha giữa Rotor và Stator

r

ω : Tốc độ góc của Rotor (rad/s) Góc lệch giữa rotor và stator θ được định nghĩa là góc tạo bởi trục d của rotor

so với tâm cuộn dây pha acủa stator Khi rotor quay, góc θ tiếp tục tăng và có thể

biểu diễn theo tốc độ quay và thời gian:

r t

Các ký hiệu của mô hình máy phát đồng bộ được cho trong bảng sau:

L Hệ số hỗ cảm của dây quấn cản ngang trục

2.2.1 T ự cảm, hỗ cảm trong các cuộn dây

2.2.1.1 T ự cảm, hỗ cảm trong các cuộn dây stator

Trước khi đưa ra các phương trình toán học của mô hình mạch của máy điện đồng bộ, ta phải xem xét sự biến đổi của các đại lượng tự cảm, hỗ cảm theo vị trí của rotor Nói chung, độ dẫn từ theo các trục q và trục d không như nhau, trong khi sức từ động của dây quấn rotor luôn luôn hướng theo trục d, hướng của sức từ động tổng so

với trục này luôn thay đổi theo hệ số công suất Do vậy, ta cần phân tích sức từ động này theo hai hướng q và d

Như hình trên, vecto sức từ động Fa được phân tích thành hai thành phần: Faq

hướng theo trục q sinh ra các từ thông φq = p F q asin θr, và Fad hướng theo trục d sinh ra các từ thông φd = p F d asinθr Từ thông móc vòng trên dây quấn pha a là:

3 4 cos 2

2.2.1.2 T ự cảm, hỗ cảm trong các cuộn dây rotor

Với máy phát có stato hình trụ, độ tự cảm của cuộn kích từ không phụ thuộc vào góc quay của roto

- L ff là kí hiệu để thể hiện cho điện cảm không phụ thuộc vào góc quay 𝜃

- L ff0: độ tự cảm cảm thể hiện cho thành phần từ thông chạy trong lõi thép

- L fl : độ tự cảm thể hiện cho thành phần từ thông móc vòng ra ngoài khe hở không khí (chiếm 10% từ thông tổng)

Hỗ cảm giữa các cuộn dây rotor bằng 0 hoặc có thể là hằng số vì góc lệch pha

về điện giữa các cuộn dây là 90o Thông thường không xét đến hỗ cảm của rotor

2.2.1.3 H ỗ cảm giữa cuộn stator và rotor

Tương tự như tự cảm hỗ cảm trong roto và stato, ta có các công thức tính hỗ

cảm giữa stato và roto

( )

cos

2cos

32cos

L

θ

πθ

πθ

2.2.2 Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ pha

Trong chế độ động cơ, điện áp đặt 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:

00

đổi theo thời gian

2.2.3 Bi ến đổi về hệ tọa độ quay dq0 của rotor

Trong các máy điện lý tưởng, các trục của dây quấn rotor là d và q; và phép biến đổi về hệ tọa độ quay dq0 chỉ cần áp dụng cho dây quấn stator Dưới dạng vector, ta định nghĩa một ma trận biến đổi phụ:

d 0( ) 00

q r

T C

( )( ) i( )

T ừ thông móc vòng tính theo dòng điện: quan hệ tương ứng giữa từ thông

móc vòng và dòng điện theo hệ quy chiếu qdo là

3232

Khi chọn hệ tọa độ qd của rotor, các biến của dây quấn rotor không cần biến đổi Biểu thức từ thông móc vòng của dây quấn rotor là:

32323232

2.2.4 Quy đổi các đại lượng rotor về stator

Từ biểu thức tính hỗ cảm giữa stator và rotor [ ]L sr ta thấy các số hạng gắn với

các thành phần dòng stator i i q; dđược nhân với hệ số 2

3 làm cho ma trận hệ số tự cảm đối với các dây quấn không đối xứng khi L k sr ết hợp với các phương trình khác Thay dòng điện của dây quấn rotor bằng dòng điện rotor tương ứng sau đây ta sẽ có phương trình từ thông móc vòng với các hệ số tự cảm đối xứng

Biểu diễn từ thông móc vòng của stator và rotor theo dòng điện và điện cảm

tương đương theo (2.29) và (2.30), ta có:

_ '

_ '

232323

Biểu thức điện trở rotor tương đương quy về stator:

s kd

N L

2

2N

s kq

2.2.5 Các phương trình điện áp, từ thông trong hệ tọa độ qdo

Sau khi sử dụng phép biến đổi Park, ta thu được hệ các phương trình mô tả máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ qd0 với các đại lượng rotor được quy đổi vể stator:

' ' ' '

' ' ' '

ψ

(2.38)

Trong đó, từ thông dây quấn cho bởi :

(2.39)

2.2.6 Mô men điện từ của máy điện đồng bộ

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

P =v i +v i +v i +v i +v i (2.40) Khi các đại lượng pha của stator được quy đổi về hệ tọa độ qd0 của rotor với

tốc độ quay r

r

d dt

2.2.7 M ối quan hệ giữa đại lượng dòng điện và từ thông

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 :

' ' ' '

Dòng điện có thể được biểu diễn theo cách đơn giản là :

Thay thế ψmd vừa nhận được vào các phương trình dòng điện ở trên dây quấn

trục d, ta nhận được phương trình các dòng điện theo từ thông móc vòng dưới dạng ma

11

11

2.2.8 Phương trình chuyển động của Rotor

Trong chế độ động cơ, mô men gia tốc T em +T mech −T damp, tác động cùng chiều quay của rotor Ở đây, mô men T em là mô men điện xuất hiện trên máy phát, có dấu dương khi máy ở chế độ động cơ và có dấu âm trong chế độ máy phát T mech, là mô

men cơ tác động lên máy phát Mang dấu âm trong chế độ động cơ và đấu dương khi

nó ở chế độ máy phát T damp là mô men cản có tác động ngược chiều quay của roto Phương trình mô men gia tốc tính theo mô men quán tính ta có:

2.3 Mô hình toán h ọc biểu diễn hệ trục turbine – máy phát

Turbine của máy phát nhiệt điện là một hệ thống cơ khí phức tạp có kích thước

đồ sộ, khối lượng hàng trăm tấn và cấu tạo rất đặc trưng khác hoàn toàn với thủy điện

Do đặc trưng của năng lượng nhiệt rất dễ bị mất đi, nên để tận dụng tối đa năng lượng

từ lò hơi dùng để phát điện, cấu tạo turbine của máy phát nhiệt điện phải bao gồm nhiều tầng cánh, khối trục có kích thước và nhiệm vụ khác nhau Điều này làm xuất

hiện các tần số dao động tự nhiên giữa các khối trụ của turbine Tần số tự nhiên này

chính là những tần số nguy hiểm có thể dẫn tới hiện tượng SSR đã được nhắc tới trong Chương 1 Để nghiên cứu chuyển động quay của trục turbine khi nghiên cứu SSR, ta

có thể xem cấu tạo trục như một hệ thống bao gồm nhiều khối được nối với nhau bằng

một lò xo không trọng lượng Các thông số cơ bản của hệ trục turbine sẽ được phân tích dưới đây

Để thuận tiện cho việc xây dựng mô hình toán học của hệ trục turbine máy phát

điện, chúng ta sử dụng hệ thống ký hiệu sau đây [5]

Hình 2.3: Mô hình h ệ trục Turbine 6 khối

Đặc trưng động lực học của hệ thống trục turbine – máy phát điện được xác

định bởi 3 thông số: hằng số quán tính H của riêng mỗi khối, độ chịu xoắn K ( độ

cứng) của phần nối giữa các khối gần kề của trục, và hệ số cản D được ghép với mỗi

khối

Xét 2 khối quay liền kề như hình 2.4

Các thành phần khác nhau của momen xoắn tương tác với rotor máy phát như sau:

Momen xo ắn đầu vào: T Gin =K45(θ θ4− 5)

Momen xo ắn đầu ra: T Gout = −T e K56(θ θ5− 6)

Momen xo ắn cản: T G ampd =D5(∆ω5)

Momen xo ắn gia tốc: T a =T Gin −T Gout −T G ampd =K45(θ θ4 − 5)− +T e K56(θ θ5 − 6)− ∆ D5 ω5Phương trình chuyển động của giữa hai khối LPB-Gen: