Nghiên cứu sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong nhà máy nhiệt điện vũng áng

Khi nghiên cứu chi tiết các giá trị tần số thu được, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy giá trị tần số phụ f r = f o – f er , mà fr trùng với một tần số dao động tự nhiên của trục tuabin ở đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐẶNG HOÀNG LONG

Longdh2e@gmail.com

Ngành K ỹ thuật điện Chuyên ngành H ệ thống điện

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại Học, bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Đức Tùng đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tác gi ả luận văn

Đặng Hoàng Long

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi tổng hợp và thực hiện Các kết quả phân tích hoàn toàn trung thực, nội dung bản Thuyết minh chưa được công bố Luận văn có sử dụng tài liệu tham khảo đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác gi ả luận văn

Đặng Hoàng Long

M ỤC LỤC

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Các chế độ dao động của hệ trục tuabin – máy phát 2

1.3 Ảnh hưởng của tụ bù dọc đối với hệ trục tuabin – máy phát điện 4

1.3.1 Đặc điểm của hệ thống truyền tải điện có lắp tụ bù dọc 5

1.3.2 Ảnh hưởng của tụ bù dọc với hệ trục tuabin – máy phát 6

1.4 Các dạng dao động của hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ 9

1.4.1 Hiện tượng cảm ứng máy phát 9

1.4.2 Hiện tượng tương tác xoắn 9

1.4.3 Hiện tượng momen xoắn quá độ 10

1.5 Các phương pháp phân tích hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ 11

1.5.1 Phương pháp quét tần số 11

1.5.2 Phương pháp trị riêng 11

1.5.3 Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực 11

1.6 Kết luận 11

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ TUABIN – MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG B Ộ 13

2.1 Mô hình hóa máy phát điện đồng bộ phục vụ nghiên cứu 13

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 13

2.1.2 Đặc điểm và phân loại 14

2.1.3 Mô hình máy phát điện đồng bộ trong hệ tọa độ abc 15

2.1.4 Biến đổi các đại lượng Stator về hệ tọa độ dq0 của Rotor 18

2.1.5 Các phương trình điện áp trong hệ tọa độ qd0 của Rotor 20

2.1.6 Momen điện từ của máy phát điện đồng bộ 20

2.1.7 Chuyển sang hệ đơn vị tương đối 21

2.1.8 Các thông số cơ bản của hệ trục tuabin – máy phát 23

2.2 Mô phỏng các đối tượng trên phần mềm EMTP-RV 28

2.2.1 Giới thiệu chung 28

2.2.2 Phương pháp tính toán trong phần mềm EMTP-RV 29

2.2.3 Mô phỏng các đối tượng trong EMTP-RV 31

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG

BỘ TẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VŨNG ÁNG 37

3.1 Giới thiệu chung 37

3.1.1 Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 37

3.1.2 Diễn biến sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 39

3.2 Mô hình hóa lưới điện khu vực 40

3.3 Xây dựng mô hình 41

3.4 Xây dựng các kịch bản mô phỏng hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên mô hình nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 44

3.5 Mô phỏng hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên mô hình nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 44

3.5.1 Kịch bản 1 44

3.5.2 Kịch bản 2 48

3.5.3 Kịch bản 3 52

3.6 Các giải pháp ngăn ngừa cộng hưởng dưới đồng bộ 55

3.6.1 Giải pháp thay đổi mức độ bù 56

3.6.2 Giải pháp sử dụng thiết bị bù có điều khiển 56

3.6.3 Giải pháp sử dụng bộ lọc tần số cộng hưởng 56

3.6.4 Giải pháp sử dụng role phát hiện và ngăn ngừa 57

3.6.5 Giải pháp ngăn ngừa cộng hưởng dưới đồng bộ tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 58

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 60

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 61

DANH M ỤC KÝ TỰ, VIẾT TẮT

SSR: Cộng hưởng dưới đồng bộ (SubSynchronous Resonance)

IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineer

FBM: Mô hình chuẩn IEEE First Benchmark

BL: Bộ lọc thụ động (Block filter)

MF: Máy phát

NMNĐ: Nhà máy nhiệt điện

TCSC: Thyristor Controlled Series Compensation

TSR: Torsinal Stress Relay

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các ký hiệu viết tắt mô hình máy phát đồng bộ 17

Bảng 2.2 Các thông số của hệ trục tuabin – máy phát 23

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật tuabin 41

Bảng 3.2 Thông số giả thiết phần cơ hệ trục tuabin – máy phát 42

Bảng 3.3 Thông số cơ bản máy phát 42

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật máy phát 43

Bảng 3.5 Thông số máy biến áp 43

Bảng 3.6 Thông số đường dây 43

Bảng 3.7 Thông số tụ bù dọc 44

Bảng 3.8 Thông số hệ thống 44

Bảng 3.9 So sánh hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ với kịch bản 1 48

Bảng 3.10 So sánh hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ với kịch bản 2 51

Bảng 3.11 So sánh hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ với kịch bản 3 55

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Dao động ngang của trục roto 2

Hình 1.2 Dao động vặn xoắn của trục rotor 3

Hình 1.3 Hình dạng các mode dao động xoắn của trục tuabin – máy phát 4

Hình 1.4 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc 5

Hình 1.5 Tác dụng khi sử dụng tụ bù dọc 5

Hình 1.6 Mô hình lưới điện đơn giản có tụ bù dọc 6

Hình 1.7 Tuabin – máy phát trong hệ thống truyền tải có tụ bù dọc 8

Hình 1.8 Biên độ dao động momen và tuổi thọ của trục tuabin – máy phát 10

Hình 2.1 Kết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha 13

Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện máy phát điện đồng bộ lý tưởng 15

Hình 2.3 Mô hình khối tập trung của hệ trục tuabin – máy phát 23

Hình 2.4 Mô hình khối LPB – GEN 25

Hình 2.5 Cấu trúc cơ khí của hệ trục tuabin – máy phát gồm 6 khối 26

Hình 2.6 Hình dạng các mode dao động xoắn của trục tuabin – máy phát 30

Hình 2.7 Thông số phần điện máy phát trong EMTP-RV 32

Hình 2.8 Thông số phần cơ máy phát trong EMTP-RV 33

Hình 2.9 Thông số máy biến áp trong EMTP-RV 34

Hình 2.10 Thông số đường dây trong EMTP-RV 34

Hình 2.11 Thông số tụ bù dọc trong EMTP-RV 35

Hình 2.12 Thông số phụ tải trong EMTP-RV 35

Hình 2.13 Mô phỏng nút Slackbus trong EMTP-RV 35

Hình 2.14 Mô phỏng nút PV trong EMTP-RV 36

Hình 3.1 Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 37

Hình 3.2 Sơ đồ nối điện chính nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 38

Hình 3.3 Sơ đồ nối lưới khu vực nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 39

Hình 3.4 Vết nứt do hiện tượng SSR trên trục tuabin – máy phát NMNĐ Vũng Áng 40

Hình 3.5 Vết nứt do hiện tượng SSR trên trục tuabin – máy phát NMNĐ Vũng Áng 40

Hình 3.6 Mô hình lưới điện khu vực NMNĐ Vũng Áng trong EMTP-RV 41

Hình 3.7 Cấu tạo trục tuabin – máy phát 42

Hình 3.8 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500VA 45

Hình 3.9 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500VA 45

Hình 3.10 Mô men xoắn trên trục LPA và GEN trường hợp sự cố T500VA 45

Hình 3.11 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500HT 46

Hình 3.12 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500HT 46

Hình 3.13 Mô men xoắn trên trục LPB và GEN trường hợp sự cố T500HT 46

Hình 3.14 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500DN 47

Hình 3.15 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500DN 47

Hình 3.16 Mô men xoắn trên trục LPB và GEN trường hợp sự cố T500DN 47

Hình 3.17 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500VA 48

Hình 3.18 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500VA 49

Hình 3.19 Mô men xoắn trên trục LPA và GEN trường hợp sự cố T500VA 49

Hình 3.20 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500HT 49

Hình 3.21 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500HT 50

Hình 3.22 Mô men xoắn trên trục LPB và GEN trường hợp sự cố T500HT 50

Hình 3.23 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500DN 50

Hình 3.24 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500DN 51

Hình 3.25 Mô men xoắn trên trục LPB và GEN trường hợp sự cố T500DN 51

Hình 3.26 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500VA (mức bù 40%) 52

Hình 3.27 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500VA (mức bù 40%) 52

Hình 3.28 Mô men xoắn trên trục LPB và GEN trường hợp sự cố T500VA (mức bù 40%) 53

Hình 3.29 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500HT (mức bù 40%) 53

Hình 3.30 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500HT (mức bù 40%) 53

Hình 3.31 Mô men xoắn trên trục LPB và GEN trường hợp sự cố T500HT (mức bù 40%) 54

Hình 3.32 Mô men xoắn trên trục HP và LPA trường hợp sự cố T500DN (mức bù 40%) 54

Hình 3.33 Mô men xoắn trên trục LPA và LPB trường hợp sự cố T500DN (mức bù 40%) 54

Hình 3.34 Mô men xoắn trên trục LPB và GEN trường hợp sự cố T500DN (mức bù 40%) 55

Hình 3.35 Tủ role TSR tại NMNĐ Vũng Áng 58

Hình 3.36 Sơ đồ trang bị hệ thống TSR NMNĐ Vũng Áng 58

Hình 3.37 Nguyên lý làm việc của role TSR 59

M Ở ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện năng lại càng tăng cao Do đặc thù về mặt địa lý, bố trí nguồn điện và phụ tải, lưới điện 500kV, 220kV của hệ thống điện nước ta thường xuyên vận hành ở chế độ truyền tải cao

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, các máy phát có thể gặp sự cố hư hỏng trục turbine, gián tiếp gây nên mất ổn định hệ thống khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SubSynchronous Resonance – SSR) do tụ bù dọc gây nên Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ này, xuất hiện lần đầu tiên tại nhà máy Mohave ở bang Nevada, nước Mỹ vào năm 1970 Ở nước ta, đã ghi nhận sự cố trên tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng, gây tổn thất nặng nề cho nhà máy

Với mong muốn tìm hiểu sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong nhà máy nhiệt điện nói chung, và nhiệt điện Vũng Áng nói riêng và các giải pháp giảm, ngăn ngừa và hạn chế các sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng”

Trong nội dung của luận văn, ngoài phần mở đầu và kết luận, tác giả trình bày gồm 4 chương như sau:

mềm EMTP-RV

máy nhiệt điện Vũng Áng

Trong quá trình làm đồ án, tác giả đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè và đặc biệt là thầy Lê Đức Tùng, người đã tận tình chỉ bảo và

truyền thụ cho tác giả những kiến thức quý giá trong suốt thời gian qua Tuy nhiên, do trình độ còn hạn chế và thời gian thực hiện không dài nên đồ án có thể còn nhiều thiếu sót Vì vậy, em kính mong các thầy, cô chỉ bảo và cho những lời khuyên hữu ích

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI

ĐỒNG BỘ

1.1 Gi ới thiệu chung

Ứng dụng tụ điện bù dọc vào mạng truyền tải điện lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1930 Đến năm 1937, Charles Concordia đã có báo cáo về khả năng tương tác bất lợi giữa tụ điện bù dọc và hệ thống tuabin máy phát điện [1], nhưng các tương tác này chưa bao giờ cụ thể hóa cho đến năm 1970 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) được ghi nhận trên thế giới lần đầu tiên bắt nguồn từ các sự cố tại nhà máy nhiệt điện Mohave, Hoa Kì vào hai năm liên tiếp 1970,

1971 [6] Sự cố đã gây hư hỏng nghiêm trọng trục tuabin máy phát Khi phân tích các dữ liệu thực tế sự cố ghi lại bởi các thiết bị đo (Oscillographs), người ta nhận thấy ngoài dòng điện ở tần số đồng bộ còn có sự xuất hiện của thành phần

t ần số điện f er nhỏ hơn tần đồng bộ Khi nghiên cứu chi tiết các giá trị tần số thu

được, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy giá trị tần số phụ f r = f o – f er , mà fr trùng với một tần số dao động tự nhiên của trục tuabin (ở đây, fo là tần số đồng bộ của

hệ thống điện) [2] Nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng, sự xuất hiện của tần số

điện f er là do tụ bù dọc trên đường dây gây nên [6]

Vào năm 2015, hệ thống điện Việt Nam đã ghi nhận sự cố đầu tiên, tổ máy

số một của nhà máy nhiệt điện Vũng Áng đã xảy ra sự cố gây nứt trục tuabin và ngừng hoạt động tổ máy Trong báo cáo chính thức về sự cố trên, nhà thầy Toshiba chỉ ra rằng nguyên nhân gốc rễ của hiện tượng nứt gãy trục rotor máy phát là do nứt gãy mỏi gây ra bởi hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) hình thành do dao động lực xoắn tương tác với lưới điện [7]

Như vậy trong chương này để tìm hiểu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ sẽ tập trung vào nghiên cứu hai vấn đề: đó là phân tích các chế độ dao động của trục tuabin máy phát điện và ảnh hưởng của tụ bù dọc đến dao động của trục tuabin – máy phát điện

Tất cả các cấu trúc cơ học đều sẽ dao động ở một tần số cụ thể khi bị các tác động bởi các nhiễu loạn Các giá trị tần số này phụ thuộc chủ yếu vào các đặc tính khối lượng và độ cứng của từng cấu trúc cụ thể Một ví dụ điển hình là khi đánh vào một quả chuông sẽ tạo ra một tiếng kêu “ring” với âm điệu ở một tần số riêng biệt Một hệ thống truyền động quay lớn cũng không khác Khối trục quay cũng sẽ có một tần số ưu thích (tần số tự nhiên) mà tại tần số đó khối trục quay

có xu hướng dao động theo chiều ngang (hình 1), khối trục quay sẽ uốn vuông góc với trục Ngoài ra, khối trục quay cũng có tần số ưu thích của dao động xoắn

mà tại đó trục quay có xu thế vặn xoắn (hình 2)

Hình 1.1 Dao động ngang của trục roto

Hình 1.2 Dao động vặn xoắn của trục rotor

Một cấu trúc quay điển hình của tuabin máy phát điện lớn bao gồm một số khối quay của tuabin, một khối rotor của máy phát điện, và thường có một khối kích từ quay cho rotor được nối đồng trục Về mặt toán học, cấu trúc quay giống một hệ thống lò xo, trong đó các trục khớp nối đóng vai trò là lò xo xoắn và momen quán tính của mỗi phần quay đóng vai trò là khối lượng Do đó nội tại khối trục quay tuabin máy phát điện có chế độ dao động rung vặn xoắn Momen điện từ của máy phát điện lúc này đóng vai trò như một lực cưỡng bức bên ngoài

để kích thích các chế độ rung xoắn Ngược lại dao động rung xoắn sẽ điều biến điện áp đầu cực của máy phát điện và kích thích dao động điện ở tần số bổ sung

cơ bản (50Hz hoặc 60 Hz) của dao động rung xoắn Ví dụ như dao động rung xoắn của khối trục tuabin máy phát ở tần số 25Hz được kết nối tới hệ thống điện tần số 60Hz sẽ có dao động điện là 35Hz Sự cộng hưởng giữa dao động xoắn của các khối trục và dao động điện sẽ cho ta tương tác SSR

Việc phân tích tính chất động học của khối trục rotor, cần phải có mô hình toán học mô tả được khối trục đó Các kỹ sư về truyền động đã tạo ra mô hình chuyển động quay cho mỗi bộ phận của trục rotor (turbin hơi, máy phát, kích từ, ) và sau đó ghép chúng lại với nhau để mô hình hóa toàn bộ hệ truyền động

Để tạo ra được mô hình toán học mô tả chính xác cho từng khối của trục rotor cần có thông tin chi tiết của từng khối như độ cứng, khối lượng, kích thước của trục quay, tính chất vật liệu, Trong đó thông tin chính dùng cho phân tích dao động ngang trục là độ cứng chịu uốn và trọng lượng; đối với việc phân tích dao động xoắn là đô cứng chịu xoắn và quáy tính quay

Dưới đây là ví dụ minh họa về một mô hình giả tưởng đơn giản về hệ thống truyền động turbin máy phát điện hơi nước, tần số 60Hz, hai cực Trong

hình 1.3 đã chỉ ra quan hệ chuyển động giữa các khối trục turbin cho từng mode dao động xoắn

Hình 1.3 Hình d ạng các mode dao động xoắn của trục tuabin – máy phát

Kết quả phân tích động lực học của hệ thống truyển động tuabin đưa ra ba thông tin cơ bản Đầu tiên, đó là tần số tự nhiên, tần số mà tại đó đáp ứng dao động xoắn của cấu trúc khối trục được xác định Thứ hai là hình dạng các mode dao động hoặc cách mà cấu trúc của hệ trục sẽ đáp ứng ở một tần số riêng Cuối cùng, nếu biết biên độ của các kích thích thì đáp ứng của cấu trúc cũng được xác định bởi cái được gọi là phân tích phản ứng cưỡng bức

Như vậy, tất cả các cấu trúc cơ học sẽ có một hoặc nhiều tần số tự nhiên,

và đối với phần lớn các cấu trúc này thì đây không phải là vấn đề Các vấn đề chỉ phát sinh khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng Sự cộng hưởng xảy ra khi một cấu trúc liên tục bị kích thích ở tần số tự nhiên của nó Hệ thống và kích thích có thể hoạt động cùng nhau để tạo ra các chuyển vị ngày càng lớn hơn, cho đến khi kích thích dừng hoặc hệ thống bị lỗi Nếu hệ thống bị kích thích ở tần số tự nhiên quá lâu, thiệt hại có thể nhanh chóng xảy ra Trong hệ thống điện thì các kích thích đối với trục rotor của máy phát điện thường là các lỗi như sự cố ngắn mạch hoặc chuyển mạch đường dây Đặc biệt đối với các đường dây truyền tải điện có lắp tụ

bù dọc sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ Phần tiếp theo ta sẽ đi phân tích ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây truyền tải đối với hệ trục tuabin - máy phát

Tụ bù dọc được đặt nối tiếp trên đường dây để bù điện kháng của đường dây Mục đích là làm giảm điện kháng giữa hai điểm, dẫn đến tăng khả năng truyền tải và giảm tổn thất trong truyền tải điện năng Trong hệ thống truyền tải

mà không có tụ bù dọc thì các quá trình quá độ sẽ gây ra thành phần DC suy giảm dần về 0 với hằng số thời gian phụ thuộc vào tỷ số L/R Với lưới truyền tải

có tụ bù dọc, dòng quá độ sẽ bao gồm nhiều tần số, phụ thuộc vào thành phần R,

L, C

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

ở hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình h ệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc

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

Mặt khác, với mức tải cố định, khi giảm X dẫn đến giảm sinδ hay giảm δ, làm tăng độ ổn định Như vậy khi có tụ bù dọc giới hạn truyền tải và độ dự trữ ổn định tĩnh của đường dây sẽ tăng lên khi có bù dọc Tỷ lệ bù dọc đối với đường dây siêu cao áp thường ở mức nhỏ hơn 80%

Tụ bù dọc có tác dụng cải thiện phân bố điện áp trên đường dây dài siêu cao áp Tùy theo tính chất dòng đường dây (cảm hay dung) mà điện áp qua tụ tăng hay giảm Trong chế độ tải nặng, tụ bù dọc có tác dụng rất tốt trong việc tăng điện áp cuối đường dây Ngoài ra, tụ bù dọc còn có tác dụng phân bố tải trên các mạch vòng do thay đổi tổng trở của đường dây

Tụ bù dọc cũng có nhược điểm là dòng ngắn mạch qua tụ lớn nên cần có các thiết bị bảo vệ tụ khi có ngắn mạch đường dây (ví dụ khe hở phóng điện ) Với những ưu điểm nổi bật trên, tụ bù dọc đóng vai trò cực kì quan trọng và là thiết bị không thể thiếu trong quá trình truyền tải điện năng

Hệ thống điện có mô hình rất phức tạp bao gồm nhiều phần tử khác nhau

Để có thể nhận diện sơ lược nguyên nhân của SSR, ta xem xét một mô hình đơn giản của đường dây truyền tải có tụ bù dọc như hình 1.7:

𝑍𝑍(𝑗𝑗𝜔𝜔1) = 𝑅𝑅 + 𝑗𝑗𝜔𝜔1𝐿𝐿 +𝑗𝑗𝜔𝜔1

PT 1.4

Áp dụng toán tử Laplace biến đổi điện áp và tổng trở ta được:

Điện áp 𝑉𝑉(𝑠𝑠) = √2𝑉𝑉𝑠𝑠 sin 𝜃𝜃 + ωs2+ ω1cos 𝜃𝜃

1

Dòng điện trong mạch chính là :

𝐼𝐼(𝑠𝑠) =𝑉𝑉(𝑠𝑠)𝑍𝑍(𝑠𝑠) =

𝑠𝑠𝑉𝑉(𝑠𝑠)𝐿𝐿

𝑠𝑠2+ 𝑅𝑅𝐿𝐿 𝑠𝑠 +𝐿𝐿𝐶𝐶1

=

𝑠𝑠𝑉𝑉(𝑠𝑠)𝐿𝐿

𝑠𝑠2+ 2𝜉𝜉𝜔𝜔𝑛𝑛𝑠𝑠 + 𝜔𝜔𝑛𝑛2

=

𝑠𝑠𝑉𝑉(𝑠𝑠)𝐿𝐿(𝑠𝑠 − 𝑎𝑎)2+ 𝜔𝜔22

PT 1.7

Trong đó:

- ω1 là thành phần dao động hình sin tần số đồng bộ (50Hz hoặc 60 Hz)

- 𝜔𝜔𝑛𝑛 = �𝐿𝐿𝐶𝐶1 là tần số dao động tự nhiên của hệ thống điện

ở tần số dưới đồng bộ

Mặt khác, như ta đã biết trong trục tuabin máy phát nhiệt điện có nhiều đoạn trục nối giữa các khối như tuabin cao áp, hạ áp, roto máy phát, kích từ với nhau (hình 1.4) Chính vì cấu tạo gồm nhiều đoạn trục – khối nên bản thân các đoạn trục có các tần số dao động tự nhiên của chính nó Để tránh các hiện tượng cộng hưởng ở tần số cao, người ta thường chế tạo các đoạn trục tuabin có tần số

tự nhiên nằm trong khoảng từ 10 đến 40 Hz đối với nhà máy nhiệt điện và dưới

10 Hz đối với nhà máy thủy điện [6]

Khi tần số tương ứng ( ω1- ω2 ) có giá trị gần với một tần số dao động tự nhiên nào đó của trục turbin thì trục sẽ dao động ở tần số tự nhiên này nhưng với biên độ tăng dần và trở thành hiện tượng cộng hưởng Các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng này gọi là cộng hưởng dưới đồng bộ có thể gây ra mỏi trục và nguy hiểm hơn là gây phá hủy hoặc hỏng hóc trục tuabin máy phát

Như vậy định nghĩa cộng hưởng dưới đồng bộ là điều kiện vận hành của

hệ thống điện mà ở đó có trao đổi năng lượng giữa hệ thống với tuabin máy phát một vài tần số dưới đồng bộ Sự dao động của năng lượng trao đổi có thể được giảm sóc nhẹ hoặc không thể giảm sóc được, thậm trí giảm sóc bị âm Một sơ đồ mạch cộng hưởng đơn giản bao gồm hệ trục turbin – máy phát điện với hệ thống truyền tải có bù dọc được biểu diễn như trong sơ đồ hình 1.7

Tụ bù dọc

Đường dây truyền tải

Hình 1.7 Tuabin – máy phát trong h ệ thống truyền tải có tụ bù dọc

Đối với sơ đồ mạch cộng hưởng như trong hình 1.7 sẽ có một tần số tự nhiên duy nhất, với hệ thống truyền tải có bù phức tạp hơn và sẽ dẫn đến nhiều hơn một tần số tự nhiên Các thuật ngữ không đồng bộ và siêu đồng bộ được sử dụng để biểu thị tần số dưới và trên tần số tương ứng với tốc độ rotor trung bình (fo) Do đó, fer biểu thị tần số tự nhiên không đồng bộ của hệ thống điện

Tần số hệ thống điện cho một hệ thống điện quay đơn giản (như trong Hình 1.7) được tính bằng công thức sau:

Thành phần dòng điện có tần số cộng hưởng (fer) trong hệ thống điện sinh

ra một dòng điện với tần số fr = fo ± fer trong rotor của máy phát Điều này được giải thích như sau, dòng điện ba pha có tần số fer chảy trong phần ứng của máy phát sẽ tạo từ trường quay dương và âm trong máy đồng bộ Sự phân bố thời gian

của các dòng pha cùng với sự phân bố không gian của các cuộn dây phần ứng gây ra sự quay dương và âm với vận tốc điện góc là 2πfer Tần số của dòng điện rotor do các trường này gây ra được chi phối bởi vận tốc tương đối giữa phần ứng và rotor Các thành phần chuỗi dương của dòng điện stato tạo ra dòng rotor ở tần số không đồng bộ fr = fo - fer, Các thành phần thứ tự nghịch của dòng điện stato tạo ra dòng rôto ở tần số siêu đồng bộ fr = fo + fer

Ba khía cạnh phân biệt để phân tích SSR đã được xác định và được định nghĩa đó phân tích là hiệu ứng máy phát điện cảm ứng, tương tác xoắn và momen quá độ Trong một số tài liệu thì khác niệm SSR ở trạng thái ổn định dùng để chỉ dao động do cả hiệu ứng máy phát và tương tác xoắn.[3]

Hiện tượng cảm ứng máy phát điện chỉ liên quan đến động lực hệ thống điện Dòng điện phần ứng của máy phát ở tần số không đồng bộ (fer) tạo ra một thành phần lực điện từ quay trong khe hở không khí với vận tốc góc 2πfer, lực điện từ này tương tác với lực điện từ tổng của khe hở không khí để tạo ra các mômen ở tần số dưới đồng bộ (fo - fer) và ở tần số siêu đồng bộ (fo + fer) Nếu tần

số chế độ xoắn của rotor máy phát fn khác với tần số mô men xoắn dưới đồng bộ (fo - fer) thì tương đối ít xảy ra tương tác xoắn Tuy nhiên, do các mạch rotor quay nhanh hơn tốc độ quay lực điện từ, nên điện trở đối với dòng điện dưới đồng bộ nhìn từ phần của phần ứng của máy phát là âm được hiểu theo lý thuyết máy điện cảm ứng Khi điện trở âm này vượt quá tổng điện trở phần ứng và điện trở mạng điện ở tần số cộng hưởng (fer) thì dòng điện phần ứng có thể được duy trì hoặc tăng trưởng Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng máy phát điện cảm ứng.[1]

Tương tác xoắn bao gồm cả động học của hệ thống điện và hệ cơ máy phát điện Dao động của rotor máy phát ở tần số chế độ xoắn (fn) tạo ra các thành phần điện áp phần ứng có tần số không đồng bộ (fen = fo – fn) và tần số siêu đồng

bộ (fen = fo + fn) Khi tần số của thành phần không đồng bộ của điện áp phần ứng (fen) gần với tần số tự nhiên của hệ thống điện (fer), kết quả dòng điện ở tần số dưới đồng bộ sẽ tạo ra một momen xoắn cùng pha làm duy trì dao động của rotor Nếu thành phần momen xoắn dưới đồng bộ cùng pha với độ lệch vận tốc rotor bằng hoặc vượt quá momen giảm xóc vốn có của hệ thống quay thì hệ thống sẽ trở nên tự kích thích Sự tương tác giữa hệ thống điện và cơ khí này được gọi là tương tác xoắn Các vấn đề tương tác xoắn có thể xảy ra khi tần số cộng hưởng điện gần với mức bổ sung của tần số gây ra cộng hưởng xoắn của hệ trục tuabin – máy phát điện.[1]

Điều quan trọng là phải nhận ra rằng hiệu ứng máy phát điện cảm ứng và tương tác xoắn không loại trừ lẫn nhau và sẽ cùng tồn tại, nhưng thường được tách ra để dễ phân tích Tương tác xoắn thường chiếm ưu thế khi tần số mômen xoắn dưới đồng bộ (fo - fer) gần với tần số của một trong các chế độ xoắn (fn) Hiệu ứng máy phát điện cảm ứng thường chiếm ưu thế khi tần số mômen xoắn

dưới đồng bộ (fo-fer) được tách ra khỏi tần số xoắn (fn) Không có tiêu chí cắt rõ ràng nào để chỉ ra loại tự kích thích nào chiếm ưu thế và trên thực tế, cả hai hiệu ứng đều có thể đáng kể

Vấn đề của các momen xoắn trục quá độ, sau một sự xáo trộn trong hệ thống điện, đã được nhận ra từ rất sớm trong cuộc nghiên cứu về hiện tượng SSR Nhà sản xuất máy điện đã trang bị các khả năng của trục ở dạng đường cong mỏi trục như trong Hình 1.8 Đường cong này cho thấy phần trăm mất tuổi thọ cho mỗi sự cố thoáng qua đối với dao động momen xoắn cực đại (từ một nửa cực đại đến cực đại) được quan sát thấy trong đường cong phản ứng Có thể thấy rằng giảm xóc trục có thể được dự kiến cho một sự cố thoáng qua với cường độ momen dao động lớn hơn B (mức một lần trong đời) Cũng có thể thấy rằng một

số lượng vô hạn các sự cố thoáng qua với cường độ momen dao động nhỏ hơn A (mức tuổi thọ vô hạn) có thể xảy ra mà không có thiệt hại trục Đối với bất kỳ mô men dao động nhất thời giữa B và A, sẽ giảm tuổi thọ trục Dữ liệu này dựa trên các ước tính tốt nhất cho các dao động ở chế độ thuần túy với giảm chấn theo cấp

số nhân Dữ liệu trường nhỏ có sẵn về sự mệt mỏi theo chu kỳ của trục máy phát tua bin

Hình 1.8 Biên độ dao động momen và tuổi thọ của trục tuabin – máy phát

Phân tích momen xoắn quá độ là nghiên cứu về đáp ứng của hệ thống trục tuabin – máy phát điện đối với các nhiễu loạn có biên độ lớn như ngắn mạch trên

hệ thống điện Đối với hệ thống điện truyền tải có các tụ bù dọc thì momen quá

độ điện có thể bao gồm thành phần tần số gây ra biên độ lớn, tần số này gần với tần số cộng hưởng cua trục turbin Điều này dẫn đến làm cho momen xoắn trên các trục sẽ cao có thể làm hỏng nghiêm trọng hệ trục tuabin – máy phát Trong các nghiên cứu momen xoắn quá độ của trên trục máy phát Navajo cho thấy rằng momen xoắn trên trục kích từ - máy phát có mức cao gấp mười lần so với mức một lần trong đời khi sự cố ba pha xảy ra tại một vị trí quan trọng Tương tự, momen xoắn của trục tuabin áp suất thấp - máy phát điện được tìm thấy cao gấp 2,5 lần một lần trong một vòng đời Những trường hợp xấu nhất này được tìm thấy đối với các lỗi tại các vị trí có dòng điện sự cố từ các máy phát Navajo chảy

qua mạch bù loạt với tần số cộng hưởng gần với một trong các chế độ xoắn tương ứng và mức hiện tại thông qua các tụ điện ở mức thấp hơn một chút Một yếu tố khác ảnh hưởng đến mô-men xoắn cực đại, đặc biệt đối với các máy tải nặng, là thời gian xóa lỗi Xóa lỗi ở một số lẻ của một nửa chu kỳ của chế độ xoắn chiếm ưu thế thường sẽ cung cấp các điểm cực đại Điều này không áp dụng khi sử dụng bộ lọc vì bộ lọc phá vỡ các chế độ tự nhiên.[2]

Thông thường, đáp ứng trục không phải là hình sin với một thành phần tần

số duy nhất, nhưng chứa các đóng góp từ tất cả các chế độ xoắn Nói chung, với cùng một mức momen xoắn cực đại, mức tiêu thụ tuổi thọ mỏi xoắn sẽ thấp hơn đáng kể đối với đáp ứng đa phương thức so với đáp ứng chế độ đơn

Khi nghiên cứu về SSR, việc thực hiện các thí nghiệm hay thực nghiệm là không thể Các nhà nghiên cứu tập trung sử dụng ba phương pháp để phân tích hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ đó là phương pháp quét tần số; phương pháp trị riêng; phương pháp mô phỏng miền thời gian thực

Phương pháp quét tần số (Frequency scanning) được sử dụng để nghiên cứu sơ bộ hiện tượng SSR với kích thước lớn gồm nhiều nhà máy Cơ sở phương pháp này là xác định điện trở và điện kháng tương đương nhìn từ nút máy phát vào hệ thống với các giá trị tần số khác nhau [4], [7] Kết quả của phương pháp

sẽ chỉ ra được các nhà máy nào có xác suất xảy ra SSR cao, từ đó tiếp tục sử dụng phương pháp trị riêng và phương pháp mô phỏng miền thời gian thực để nghiên cứ chi tiết

Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực sử dụng các mô hình đầy đủ ba pha của các phần tử trong hệ thống, thường có sẵn trong các phần mềm mô phỏng Kết quả mô phỏng hệ thống được đưa ra đưới dạng đồ thị theo thời gian thực [4],[7] Phương pháp này đưa ra được kết quả trực quan, thích hợp để phân tích diễn biến sự cố theo thời gian, nhưng sẽ phức tạp nếu phải xây dựng mô hình các phần tử không có sẵn

1.6 K ết luận

Các phương pháp phân tích khác nhau đã được sử dụng cho các khía cạnh khác nhau của vấn đề SSR "Chương trình quét tần số" cung cấp tất cả thông tin cần thiết để phân tích hiệu ứng máy phát cảm ứng Loại chương trình này cung

cấp điện trở và điện kháng tương đương với tần số như được xem từ các cực của máy phát Nếu có một hoặc nhiều tần số trong đó điện kháng tương đương bằng không và điện trở tương đương là âm, các dao động tự duy trì sẽ được dự kiến do hiệu ứng máy phát cảm ứng Một chương trình quét tần số cũng cung cấp các dấu hiệu cho thấy các vấn đề tương tác xoắn và mô men xoắn nhất thời Các vấn đề tương tác xoắn được chỉ định trong nghiên cứu quét tần số khi có tần số cộng hưởng hoặc tần số phản ứng tối thiểu gần tần số tương ứng với một trong các chế

độ xoắn tự nhiên của máy phát tua bin Các vấn đề momen xoắn quá độ tiềm năng được biểu thị bằng chương trình quét tần số khi có tần số cộng hưởng nối tiếp gần với tần số tương ứng với chế độ xoắn tự nhiên

Để nghiên cứu vấn đề tương tác xoắn của hiện tượng SSR Trong các đồ

án trước đây đã được nghiên cứu [9],[17] đã tập trung vào sử dụng phương pháp trị riêng để phân tích hệ thống Bằng cách xây dựng các mô hình hóa các phần tử trong hệ thống điện Dựa trên các phương trình toán của các phần tử sẽ tiến hình xây dựng mô hình hóa và ghép nối các phần tử đó trên phần mềm MATLAB Phương pháp trị riêng tính được chính xác tần số dao động Cùng với đó, dựa vào phương pháp trị riêng ta có thể xác định được tần số điện và tần số bổ sung do tụ

bù dọc gây nên, từ đó có thể xác định được tương tác xoắn SSR xảy ra ở Mode nào Việc phân tích trị riêng có lợi trong việc giúp hiểu rõ hơn về việc đánh giá tần số gây cộng hưởng với máy phát Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình tốn rất nhiều thời gian trong quá trình làm đồ án và bất tiện cho các nghiên cứu về sau khi mô hình máy phát trở nên cũng như hệ thống lưới điện và bù dọc ngày càng trở nên phức tạp hơn nên khó cho việc xây dựng mô hình cũng như cải tiến mô hình

Phân tích momen xoắn quá độ được thực hiện bởi việc áp dụng bởi phương pháp phân tích mô phỏng miền thời gian thưc Phương pháp mô phỏng thời gian thực tuy không có thể xác định được chính xác mức độ bù cũng như tần số được sinh ra tương ứng với mức bù đó nhưng lại có thể cho quan sát quá độ trên miền thời gian rất tốt Từ đó các thể biết được độ lớn của biên độ momen quá độ theo thời gian, vì thế sẽ đưa ra giải pháp giảm thiểu và ngăn ngừa hiện tượng rất tốt

Có rất nhiều chương trình để mô phỏng quá độ của hệ thống một trong những phần mềm đó phần mềm EMTP Việc mô phỏng trên phần mềm EMTP cũng dễ dàng hơn đối với các hệ thống phức tạp

Trong phạm vi của luận văn, tác giả sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng miền thời gian thực, sử dụng phần mềm EMTP-RV để tính toán, phân tích hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong nhà máy nhiệt điện Vũng Áng

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ TUABIN – MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG

BỘ

Máy phát đồng bộ còn được gọi là máy phát điện xoay chiều 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 [1], [4]

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

cực với cuộn dây được kích từ bằng dòng điện một chiều

Hình 2.1 K ết cấu máy phát điện đồng bộ 3 pha

Máy phát điện G được quay bởi tuabin T Tuabin cung cấp cho máy điện momen cơ Tmech có tính phát động làm cho máy phát điện quay với vận tốc n Máy phát điện nhận momen cơ của tuabin và biến thành momen điện Te xác định bởi tích số của công suất P và vận tốc góc đồng bộ ωo ( Te = Pωo ) 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:

Vì vậy, Tmech = -Te , tức là momen điện và momen cơ ngược chiều nhau Như 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 ωo

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:

Tth = Tmech - Te PT 2.3

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 tuabin để tăng momen cơ đến bằng momen điện Nếu tải giảm xuống, tức là momen hãm giảm xuống thì thao tác đối với tuabin 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 [8]

Trong nghiên cứu này ta chỉ khảo sát các máy phát điện công suất lớn làm

việc trong hệ thống điện Trong hệ thống điện có hai loại máy phát chính là máy phát nhiệt điện và máy phát thủy điện

2.1.2.1 Máy phát nhiệt 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 (vòng /phút) của máy phát điện

có quan hệ với tần số f và số đôi cực p như sau:

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 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 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 tuabin 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 – tuabin – 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 tuabin) 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

2.1.2.2 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 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

Do hiện tượng cộng hưởng tần số thấp chỉ xảy ra với nhà máy có rotor tuabin dạng lắp ráp các khối trục nên hiện tượng này chỉ xảy ra với các nhà máy nhiệt điện Do đó trong đồ án này ta chỉ xét đến loại rotor nhiệt điện có dạng cực

ẩn [8]

Mô hình được xây dựng trong phần này dựa trên khái niệm máy điện đồng

kd : Cuộn cản dọc trục

kq : Cuộn cản ngang trục

g : Cuộn cản ngang trục

ϴr : Góc lệch giữa trục q và pha a stator

ωr : tốc độ góc của rotor, rad/s

Điện áp đặt vào cân bằng với điện áp rơi trên điện trở và điện áp gây ra do

sự biến đổi từ thông Phương trình điện áp của các dây quấn stator và rotor dưới dạng ma trận:

0

( )0

g kd

r

r r

r r

Phương trình điện áp Stator:

Trong các máy điện lý 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 phía stator Dưới dạng véc-tơ, ta định nghĩa một ma trận biến đổi phụ:

d0( ) 0 0

T C

Ta được các phương trình điện áp stator của máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ qd0 như sau:

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

Chọn các đại lượng cơ bản:

Điện áp cơ bản: 2

3

day b

b

S I

V

=

Tổng trở cơ bản: b

b b

V Z I

=

Tốc độ góc cơ bản: ωb = 2 π fb

Tốc độ góc rotor cơ bản: bm 2 b

fp

ω

ω =

Độ tự cảm cơ bản: b

b b

Z L

ω

=

Từ thông cơ bản: ψb = L ib b

PT 2.29

Momen cơ bản:

2

b b

p S S

' ' ' ' 1

p

T T

T

V I p

Để thuận tiện cho việc xây dựng mô hình toán học của hệ trục tuabin máy phát điện, chúng ta sử dụng hệ thống ký hiệu sau đây:

B ảng 2.2 Các thông số của hệ trục tuabin – máy phát

24

Đặc trưng động lực học của hệ thống trục tuabin – 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 Dưới đây là sự mô tả của từng thông số:

a Hằng số quán tính H

Nếu momen quán tính của khối rotor là J ( 2

.

kg m ), thì hằng số quán tính H trong hệ đơn vị tương đối được cho bởi:

K : độ chịu xoắn (độ cứng), N.m/rad

Trong rotor của tuabin máy phát điện, mỗi khoảng trục bao gồm các mặt cắt riêng biệt với đường kính khác nhau

Trong hệ thống mà ta nghiên cứu, thông thường momen xoắn được biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối với monen cơ bản:

f base

m

p VA

Momen cản trong mô hình được giả thiết bằng tích hệ số cản D và độ lệch tốc độ

d Mô hình hóa hệ tuabin

Trục tuabin máy phát nhiệt điện thường được thiết kế gồm nhiều khối nối với nhau nhằm mục đích tăng hiệu suất chuyển đổi từ nhiệt năng sang cơ năng Xét riêng mô hình hai khối LPB liên kết với khối GEN:

Hình 2.4 Mô hình kh ối LPB – GEN

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: TGout = − Te K56( θ θ5− 6)