Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Hòa đồng bộ hai máy phát điện bằng plc...

Tài liệu Hòa đồng bộ hai máy phát điện bằng plc

.PDF
152
1779
137

Mô tả:

CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRÊN TRẠM PHÁT ĐIỆN 1. Cơ sở khoa học Các thế hệ trạm tự động hoá trước đây, trung tâm xử lý, điều khiển là tổ hợp các mạch logic được tổ hợp từ các rơ le điện từ, bán dẫn. Ở các trạm này, chương trình điều khiển được thực hiện chỉ bằng thiết bị nên nó được định “cứng”, không thể thay đổi. Do đó, không có khả năng thích nghi với các đối tượng khác nhau, với các chế độ vận hành khác nhau. Ở các trạm tự động hoá thế hệ mới, trung tâm xử lý điều khiển được sử dụng là máy tính điện tử. Các chương trình điều khiển được xây dựng nhờ các ngôn ngữ lập trình tạo ra các phần mềm điều khiển lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính điều khiển. Nhờ đó có thể tạo ra chương trình điều khiển trạm phát điện gần với các chế độ vận hành tối ưu, góp phần giải tích cực giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật trong xử dụng trạm phát điện. Với một môđun điều khiển, ta có thể mở rộng ứng dụng cho nhiều đối tượng, mở rộng cho nhiều chế độ công tác. Nói cách khác, bộ điều khiển có khả năng thích nghi. Hơn thế nữa, nhờ khả năng nhớ thông tin, ta có thể kiểm soát được quá trình làm việc đã qua của trạm điện sau một khoảng thời gian làm việc. Điều này giúp ích rất nhiều cho người vận hành trong việc xử lý nhanh các sự cố, đưa ra phương án bảo dưỡng trạm phát điện hợp lý. Các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay công nghiệp thường dùng là các bộ điều khiển PLC, là các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình (program logic contronler). Trong những năm gần đây vấn đề về nhu cầu cung cấp năng lượng (đặc biệt là điện năng) đã trở nên rất nóng bỏng trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Mỗi năm Việt Nam phải nhập khẩu nhiều triệu KWh để cung cấp cho sản xuất cũng như tiêu dùng. Công nghiệp Việt Nam trên đà phát triển nhất là sau khi hội nhập WTO. Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế nước nhà dẫn đến việc thiếu hụt điện năng một cách nghiêm trọng. Cho nên việc trang bị máy phát điện dự phòng để ổn định 1 các họat động kinh doanh sản xuất của doanh nghiệp là thiết yếu để sẵn sàng chủ động trong mọi tình huống và đem lại hiệu quả kinh tế cao. ên cạnh đó máy phát dự phòng còn đóng một vai trò hết sức quan trọng, không thể thiếu được trong cung cấp điện liên tục cho các l nh vực như: y tế, an ninh, viễn thông, điều khiển, tiếp tân, hội nghị… Vai trò của máy phát điện dự phòng là khá quan trọng, song việc đưa chúng vào vận hành sử dụng trong thực tế để thu được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao còn là một vấn đề cần được giải quyết. Trong thực tế, để vận hành các tổ máy phát điện dự phòng nói chung ngoài việc đảm bảo công suất của tổ máy phát cho các hộ phụ tải thì hệ thống còn phải đáp ứng các yêu cầu quan trọng khác: nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ, bảo đảm độ tin cậy làm việc, bảo đảm khả năng cung cấp điện liên tục và lâu dài cho các hộ tiêu thụ, nâng cao khả năng sẵn sàng làm việc của trạm phát điện, …v.v. 2. Tính thực tiễn Tự động hoá trạm phát điện phải giải quyết các vấn đề sau: - Thay thế tất cả các thao tác thủ công của con người bằng thiết bị tự động. Các thao tác đó thường là: Kiểm tra điều kiện đưa máy vào làm việc; khởi động máy; kiểm tra và điều khiển quá trình làm việc với các chế độ khác nhau; bảo vệ trạm phát điện khi có sự cố; dừng máy. - Tự động ổn định các tham số làm việc của động cơ cũng như máy phát trên trạm. - ảo đảm khả năng điều khiển và kiểm soát từ xa trạng thái làm việc của các trạm phát điện. Hệ thống tự động hoá ngoài thông báo tình trạng của trạm còn phải có khả năng báo lỗi cho người vận hành biết để xử lý nhanh chóng. - ảo đảm độ sẵn sàng làm việc, độ tin cậy làm việc của các trạm phát điện. Giảm nhẹ được khối lượng công việc của người vận hành trạm phát điện. Ở các trạm phát điện được tự động hoá, người vận hành đóng vai trò là người kiểm tra, ra lệnh, định kỳ nạp nhiên liệu, dầu, nước vào bể chứa và tiến hành bảo dưỡng định kỳ theo quy trình kỹ thuật. 2 3. Yêu cầu chung Tự động điều khiển các trạm phát điện là xu thế tất yếu của khoa học công nghệ trong công nghiệp chế tạo trạm phát điện nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tiễn trong sử dụng vận hành trạm phát điện. Các yêu cầu đó là: - Nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ. - ảo đảm độ tin cậy làm việc, bảo đảm khả năng cung cấp điện liên tục và lâu dài cho các hộ tiêu thụ. - Nâng cao khả năng sẵn sàng làm việc của tram phát điện. - Giảm nhẹ các công việc thủ công cho con người, rút ngắn thời gian kiểm tra chuẩn bị máy để đưa chúng vào làm việc. Các hệ thống tự động điều khiển trên trạm phát điện gọi chung là hệ thống tự động hoá trạm phát điện. 4. Các tham số và hệ thống tự động hoá trên trạm phát điện Để xây dựng được hệ thống tự động điều khiển trên trạm phát điện, thực chất là chúng ta phải tự động điều chỉnh các tham số sau: - Tự động ổn định điện áp và tần số máy điện. - Tự động báo hiệu sự cố và bảo vệ trạm khi có sự cố sảy ra. - Tự động khởi động: Lệnh khởi động được phát ra từ trung tâm điều khiển, từ tổ hợp máy phát khác hoặc từ lưới. - Tự động đóng tải. - Tự động kiểm tra và điều khiển các chế độ làm việc của trạm phát điện theo yêu cầu của trung tâm điều khiển. - Tự động bảo vệ và dừng máy khi có sự cố hoặc theo lệnh từ trung tâm điều khiển. - Tự động duy trì trạng thái sẵn sàng làm khi ở chế độ “dự phòng”. - Tự động hoà đồng bộ và làm việc song song với lưới, với trạm điện khác. - Tự động bảo đảm các điều kiện sẵn sàng làm việc và khả năng làm việc liên tục trong thời gian dài không dưới 180 giờ mà không cần người vận hành. Đó là yêu cầu bảo đảm nhiên liệu, bảo đảm nước làm mát, dầu bôi trơn, yêu cầu về đảm 3 bảo nguồn khởi động, bảo đảm chế độ nhiệt của động cơ để đảm bảo khả năng làm việc tin cậy và khả năng sẵn sàng nhận tải. - Tự động điều phối đưa các trạm điện khác vào vận hành theo một chương trình định sẵn mà không cần lệnh của người điều khiển như đổi kíp làm việc giữa các trạm mà vẫn đảm bảo khả năng cấp điện liên tục, điều phối tăng giảm số nguồn phát khi yêu cầu tiêu thụ công suất của phụ tải tăng hoặc giảm. 5. Các hệ thống chức năng con tự động điều khiển độc lập trên hệ thống tự động hoá trạm phát điện Để thực hiện công việc theo các mức tự động hóa, hệ thống tự động hóa trên trạm bao gồm các hệ thống con có chức năng độc lập (Hệ thống TĐĐK chức năng). Việc thỏa mãn yêu cầu của các mức tự động hóa phụ thuộc số hệ thống con được sử dụng trong hệ thống tự động hóa. - Hệ thống tự động bảo đảm: Hệ thống này tự động bảo đảm đủ mức nhiên liệu, dầu, nước, dung lượng khởi động (dung lượng ắc quy hoặc áp suất khí nén) - Hệ thống tự động khởi động và đóng tải: Hệ thống này thực hiện khởi động trạm phát điện khi có các tín hiệu “lệnh khởi động”. - Hệ thống tự động ổn định các tham số của trạm phát điện: Hệ thống này có chức năng ổn định các tham số của trạm phát điện, đảm bảo độ tin cậy làm việc và chất lượng điện năng cấp cho phụ tải. - Hệ thống tự động kiểm tra và bảo vệ các tham số của trạm phát điện: Hệ thống này có chức năng tự động kiểm tra các tham số vận hành của trạm phát điện và thông báo về trung tâm điều khiển. - Hệ thống tự động dừng máy: Hệ thống này thực hiện tự động dừng máy tuân theo quy trình dừng máy khi có lệnh dừng “stop”. - Hệ thống tự động hòa đồng bộ và làm việc song song: Hệ thống này có chức năng + Tự động kiểm tra và xác lập điều kiện hoà đồng bộ + Thực hiện hoà đồng bộ hai máy khi các điều kiện hoà đồng bộ (điện áp bằng nhau, tần số bằng nhau, trùng pha) được thoả mãn. 4 + Tự động phân phối công suất tác dụng, công suất phản kháng giữa các tổ máy làm việc song song để tránh mất đồng bộ giữa hai tổ máy. + Tự động bảo vệ công suất ngược. - Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay: Tốc độ quay của động cơ diesel xác định bởi vị trí thanh răng bơm nhiên liệu. Khi động cơ không làm việc, thanh răng bơm nhiên liệu ở một vị trí xác định tuỳ thuộc phương pháp điều khiển. - Hệ thống tự động kiểm tra và điều chỉnh điện áp: Việc ổn định điện áp do bộ tự động điều chỉnh kích từ thực hiện. 6. Cấu trúc chung của một hệ tự động hoá trên trạm phát điện Nghiên cứu chức năng và nguyên lý tác động của các hệ thống tự động hoá trên trạm phát điện, ta thấy chúng thường có chung một cấu trúc như hình vẽ. §Æt gi¸ trÞ t¸c ®éng §o sai lÖch ChÊp hµnh BiÕn ®æi khuÕch ®¹i Tr¹m ph¸t ®iÖn §o tham sè thùc HiÓn thÞ th«ng b¸o Cấu trúc chung của một hệ tự động hoá trên trạm phát điện Một tổ máy phát điện có thể hoạt động ở chế độ đơn lẻ (độc lập) hoặc chế độ song song (trong lưới). Nói chung, các yêu cầu về đo lường - điều khiển - bảo vệ ở hai trường hợp tương đối như nhau. Các chức năng trên thường được chia ra 2 loại: Cơ học và Điện. Về phần cơ học, thường có các loại hình bảo vệ sau: - ảo vệ tuyến thủy lực ( mực nước, trạng thái làm việc của cống lấy nước, đường dẫn, bể áp lực, đường ống có áp, van trên đường ống, kênh thoát hạ lưu) - ảo vệ cơ học tổ máy: Vòng quay tổ máy, độ rung động của tổ máy, nhiệt độ 5 các ổ trục, tình trạng hệ thống dầu thủy lực, tình trạng hệ thống làm mát… Về phần điện: - Đo lường và bảo vệ về dòng (quá dòng, ngắn mạch) - Đo lường và bảo vệ về điện áp (quá áp, thấp áp) - Đo lường và bảo vệ chạm đất - Đo lường và bảo vệ về tần số - Đo lường và bảo vệ về công suất - Điều khiển hòa điện, đóng cắt phụ tải Trong một trạm thủy điện nhỏ, các thiết bị đo lường thường được bố trí trên 1 hoặc nhiều tủ (bảng) điện tùy theo cỡ công suất tổ máy. Thiết bị hòa điện thường được bố trí trên bảng điện điều khiển của tổ máy. Thiết bị hòa điện được sử dụng để tiến hành đưa một tổ máy từ trạng thái hoạt động độc lập (thông thường là sau khi khởi động không tải) sang hòa với lưới điện, tham gia chịu tải của hệ thống. Trong các trạm thủy điện nhỏ, thường sử dụng các phương pháp hòa điện sau: a) Hòa điện thủ công bằng đèn Theo phương pháp này, người ta mắc giữa các pha tương ứng của máy phát và lưới điện 2 bóng đèn loại 220 V. Khi quan sát thấy cả 6 bóng đèn đều tắt thì tiến hành ấn nút (hoặc cầu dao) đóng thông mạch điện giữa máy phát và lưới điện. Phương pháp này có độ tin cậy cao (do thiết bị rất đơn giản), nhưng độ chính xác thấp. b) Hòa điện thủ công bằng thiết bị đồng hồ từ điện Theo phương pháp này, một thiết bị chỉ báo được sử dụng thay cho các bóng đèn. Thiết bị chỉ báo là một loại đồng hồ từ điện bao gồm 3 đồng hồ nhỏ chỉ báo độ chênh điện áp, chênh lệch tần số và chênh lệch pha. Khi cả 3 đại lượng trên nằm trong khoảng cho phép, người vận hành tiến hành thao tác đóng mạch giữa máy phát và lưới điện. c) Hòa điện tự động 6 Theo phương án này, sau khi nhận lệnh hòa điện (bằng nút ấn hoặc công tắc), Rơ le hòa điện tự động kiểm tra các thông số cần thiết và tự động đóng mạch khi các thông số đạt giá trị cho phép. Hiện nay, mức độ tự động được nâng cao hơn ở chỗ: thiết bị hòa sẽ tự động điều chỉnh tổ máy cho tới khi đạt các yêu cầu về hòa điện và tự động đóng mạch hòa điện. Thực ra lúc này hòa điện chỉ là một chức năng nhỏ của thiết bị điều tốc trong trạm thủy điện, bao gồm các chức năng hòa, điều tốc, phân chia tải, bảo vệ tổ máy... Ngoài ra còn có thiết bị hòa đồng bộ tự động thông minh đảm bảo tự động bộ, hai tổ máy nhận lệnh khởi động đồng thời, hoặc một máy đang làm việc, máy kia nhận lệnh vào hòa đồng bộ Nếu một máy đang cấp điện cho tải hay đống điện trước lên thanh cái, máy đó sẽ xác lập vai trò máy chủ ( máy dẫn ). Máy đưa vào hòa đồng bộ là máy bị dẫn ( máy tớ ).Hiện nay có rất nhiều thiết bị có khả năng đảm nhận vai trò tự động hòa đồng bộ hai máy phát hoặc giữa tổ máy phát với hệ thống lưới điện như : + PLC ( program logic contronler ). Đây là bộ điều khiển logic mạnh và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi trong ứng dựng điều khiển các thiết bị công nghiệp được tự động hòa một các dễ dàng, độ ổn định cao. PLC được xem là trung tâm đầu não của hệ thống tự động điều khiển, là nơi xử lý và điều khiển các thiết bị hoạt động theo yêu cầu của người lập chương trình. Một chương trình điều khiển được lưu trong bộ của PLC, trong suốt quá trình thi hành PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống xuyên suốt từ tín hiệu hồi tiếp từ các tín hiệu thường nhập. Sau đó dựa vào chương trình logic để quyết định đầu ra để điều khiển hệ thống thiết bị theo yêu cầu. PLC được sử dụng thích hợp cho các hệ thống tự động hóa từ đơn đến phức tạp. Các PLC còn có thể kết hợp với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá trình phức tạp + Dùng vì điều khiển. Đây là thiết bị cực kỳ linh hoạt trong lập trình, được sử dụng đa dạng ngành và giá trình rẻ, tuy nhiên độ ổn định không cao như PLC 7 7. Hệ thống cảm biến và các thiết bị thu thập thông tin trong hệ thống tự động hoá trên trạm phát điện a) Các phần tử cảm biến Các bộ cảm biến nhận sự biến đổi của tham số kiểm tra, biến đổi sang tín hiệu dòng hoặc áp, hoặc tác động trực tiếp lên rơle chấp hành. Thông thường bộ cảm biến được chế tạo ghép đồng bộ với rơle tác động đầu ra nên người ta thường gọi chung là rơle cảm biến. Tín hiệu ra của các bộ cảm biến thường có tín hiệu là các mức logic. Trong hệ thống tự động hoá trạm phát điện thường sử dụng các loại cảm biến sau: - Cảm biến nhiệt độ: Kiểm tra nhiệt độ nước, nhiệt độ dầu, nhiệt độ dây quấn máy phát điện. - Cảm biến mức: Kiểm tra mức nước, mức dầu, mức nhiên liệu. - Cảm biến áp suất: Kiểm tra áp suất dầu, áp suất bình khí nén. - Cảm biến tốc độ quay: Kiểm tra tốc độ quay và sai lệch tốc độ. - Cảm biến điện áp: Kiểm tra giá trị điện áp cực đại, cực tiểu và sai lệch điện áp. - Cảm biến dòng điện: Đo giá trị dòng cực đại. - Cảm biến tần số: Kiểm tra giá trị tần số và sai lệch tần số. - Cảm biến công suất tác dụng và công suất phản kháng. - Rơ le thời gian. b) Các phần tử chấp hành Phần tử chấp hành là cơ cấu nhận các lệnh từ trung tâm điều khiển hoặc trực tiếp từ các bộ cảm biến truyền tới, tác động lên đối tượng để thực hiện mục đích điều khiển. Trong hệ thống tự động hoá trạm phát điện có các thiết bị chấp hành sau: - Thiết bị bổ sung nhiên liệu, dầu nước trong hệ thống bảo đảm. - Thiết bị sấy nóng nước, dầu bôi trơn, buồng cháy động cơ, buồng trạm. - Thiết bị khởi động tự động. 8 - Thiết bị dừng máy tự động. - Thiết bị điều chỉnh tốc độ và điện áp. - Thiết bị đóng tải máy phát. - Thiết bị hoà đồng bộ tự động. - Thiết bị phân phối công suất tác dụng và công suất phản kháng. - Các thiết bị phụ trợ. c) Các bộ điều chỉnh Các bộ điều chỉnh có chức năng ổn định các tham số vận hành và các tham số điện năng của trạm phát điện. Trên trạm phát điện tự động hoá phải sử dụng các bộ ổn định sau: - ộ ổn định nhiệt độ. - ộ ổn định mức nhiên liệu, nước, dầu. - ộ ổn định tốc độ quay. - ộ ổn định điện áp. - ộ điều chỉnh xác lập điện áp và tần số định mức của trạm máy phát. - ộ ổn định cân bằng tần số và điện áp hiệu dụng giữa hai trạm máy phát. - ộ điều chỉnh cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng khi làm việc song song. Ngoài ra còn các thiết bị tín hiệu và các mạch logic điện tử trong hệ thống tự động hoá trạm phát điện, các thiết bị này tuỳ thuộc vào thiết kế hệ thống cụ thể sẽ lựa chọn. 9 CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA KHI HAI TRẠM MÁY PHÁT ĐIỆN LÀM VIỆC SONG SONG Chất lượng điện năng của các trạm phát điện ngoài việc đảm bảo đủ công suất cung cấp cho các hộ tiêu thụ, còn phải đảm bảo các chỉ tiêu như: ổn định điện áp, ổn định tần số dòng điện, hòa đồng bộ các máy phát làm việc song song, …Do vậy, đối với các hệ thống tự động hóa trạm phát điện cần phải giải quyết một số bài toán điều khiển tự động sau: 1. Tự động ổn định điện áp phát ra của các máy phát điện ài toán ổn định điện áp phát ra của các máy phát điện là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất trong việc đánh giá chất lượng điện cung cấp cho các hộ phụ tải. Trên các trạm phát điện phải có các thiết bị ổn định điện áp. Do vậy phải điều chỉnh điện áp trên các cực của máy phát, đảm bảo điện áp ra luôn ổn định ở một giá trị đặt trước theo yêu cầu của các hộ tiêu thụ. 1.1. Sự cần thiết phải ổn định điện áp máy phát điện Các thiết bị dùng điện luôn yêu cầu điện năng cung cấp cho chúng phải có điện áp ổn định. Nếu điện áp thay đổi, sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ và đặc tính làm việc của các thiết bị. Ví dụ, khi điện áp tăng 5% so với giá trị định mức, tuổi thọ của các đèn chiếu sáng bị giảm đi hai lần. Nếu điện áp tăng tức thời quá 20% có thể làm cháy hàng loạt bóng đèn. Ngược lại, khi điện áp giảm 5% so với định mức, quang thông của các đèn thắp sáng giảm đến 18%; mômen quay của các động cơ dị bộ giảm 10%; đặc tính làm việc của các thiết bị vô tuyến điện và các dụng cụ y học xấu đi nhiều. Khi điện áp giảm tức thời quá 20% so với định mức có thể làm ngừng quay các động cơ dị bộ; làm cắt các công tắc tơ, cản trở sự làm việc của các hệ thống tự động điều khiển, làm mất độ chính xác cần thiết của các thiết bị điện. Thực tế đó đòi hỏi điện năng của các trạm máy phát phát ra phải có điện áp và tần số ổn định. 10 Trong khi đó, các trạm phát điện do cần đảm bảo tính cơ động và tính kinh tế, mà thường chọn công suất của máy phát điện tương đương với công suất của các hộ tiêu thụ. Trong vận hành, phụ tải lại thay đổi trong phạm vi rộng có thể từ (0  100)% tải. Việc thay đổi tải lại rất ngẫu nhiên và đột ngột, do đó sẽ làm cho điện áp cảu máy phát điện bị thay đổi lớn. Để tránh sự thay đổi điện áp trên các trạm phát điện nhất thiết phải có hệ thống tự động ổn định điện áp (TĐOĐĐA). ài toán ổn định điện áp là bài toán điều khiển sự cân bằng công suất phản kháng giữa nguồn phát và phụ tải. Công suất phản kháng của nguồn phát phụ thuộc vào công suất kích từ, do đó điều chỉnh công suất phản kháng của nguồn chính là điều khiển kích từ của máy phát đồng bộ. Đây là bài toán rất quan trọng, có vai trò rất lớn trong việc bảo đảm tính ổn định của hệ thống điện. ài toán này đặc biệt quan trọng ở những hệ thống điện năng có công suất nguồn hữu hạn, làm việc độc lập như các trạm phát điện Diesel, trạm thủy điện nhỏ. ài toán điều khiển máy phát điện chính là bài toán điều khiển kích từ. Hệ thống tự động điều khiển dòng kích từ theo một thuật toán nào đó được gọi là hệ thống tự động điều chỉnh kích từ. 1.2. Chức năng của hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát - Duy trì điện áp trên các cực của máy phát điện không thay đổi, đây là nhiệm vụ cơ bản nhất của hệ thống. Nhiệm vụ này được thực hiện bằng cách tự động thay đổi kích từ máy phát điện theo sự thay đổi của phụ tải và các điều kiện khác. - Tăng cường kích từ của máy phát điện khi điện áp của nó giảm xuống một cách đáng kể, việc tăng cường kích từ được thực hiện trong các trường hợp sau: + Đảm bảo khả năng khởi động các động cơ dị bộ rô to lồng sóc có công suất gần bằng công suất máy phát điện. + Nâng cao độ tin cậy bảo vệ máy phát điện khi ngắn mạch trong mạng, bằng cách tăng nhân tạo dòng ngắn mạch nhờ tăng kích từ. + Gia tốc quá trình tự khởi động của các động cơ nhỏ sau khi đã loại trừ ngắn mạch. 11 + Để dễ dàng đưa máy phát điện của trạm phát điện vào làm việc song song. + Nâng cao độ ổn định làm việc song song cảu các tổ máy phát, khi trọng mạng điện của trạm phát điện có ngắn mạch. - Phân phối tỷ lệ công suất phản kháng giữa các trạm phát điện làm việc song song. Để bảo đảm cho các trạm phát điện làm việc song song, phải giải quyết các vấn đề cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa hai tổ máy phát. Công suất tác dụng được thể hiện bởi bộ điều chỉnh tốc độ quay động cơ sơ cấp. Công suất phản kháng được thể hiện bởi bộ tự động điều chỉnh kích từ máy phát. Khi có sự biến động công suất phản kháng, sẽ diễn ra quá trình phân phối lại công suất cho hai tổ máy làm việc song song. Việc phân phối hợp lý công suất phản kháng sẽ do đặc tính của bộ tự động điều chỉnh kích từ quyết định. Trên trạm phát điện, chức năng chính của bộ tự động điều chỉnh kích từ là tự động ổn định điện áp. Do vậy, người ta thường đồng nhất khái niệm tự động ổn định điện áp với tự động điều chỉnh kích từ. thực chất, ổn định điện áp là mục đích và kết quả của quá trình tự động điều chỉnh kích từ. Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ gọi là bộ điều chỉnh kích từ. ộ tự động điều chỉnh kích từ hợp với mạch kích từ máy phát tạo thành hệ thống tự động điều chỉnh kích từ. 1.3. Yêu cầu và phân loại các bộ tự động điều chỉnh kích từ máy phát 1.3.1. Yêu cầu Để đảm nhiệm được chức năng ổn định điện áp, hệ thống tự động điều chỉnh kích từ phải đạt được các yêu cầu sau: - Có độ ổn định cao, đạt được độ chính xác điều chỉnh theo yêu cầu của từng loại trạm phát điện. Sai lệch điện áp ổn định thường phải nhỏ hơn hoặc bằng 3%. - Thời gian điều chỉnh không quá 3 giây, độ quá điều chỉnh không quá 15%. - Dao động điện áp xuất hiện do rung động, chấn động hoặc va đạp, do tác động của các sóng nổ không vượt quá 1%. 12 - Sai lệch của điện áp khi nhiệt độ môi trường thay đổi 50oC, không vượt quá 5%. - Đặc tính của hệ thống tự động ổn định điện áp trong quá trình làm việc lâu dài không được thay đổi và không phụ thuộc vào điều kiện khí quyển (độ ẩm tương đối đến 98%, độ cao so với mực nước biển lên đến 4000m). - Có khả năng thay đổi điện áp trung bình điều chỉnh trong phạm vi 5%, ở điều kiện làm việc bất kỳ của trạm phát điện. - Có khả năng cường hóa kích từ cao, đảm bảo khởi động được động cơ dị bộ rôto lồng sóc có công suất đến 70% công suất của trạm phát điện, khi trạm phát điện đang mang khoảng 30% tải. - Đảm bảo độ tin cậy làm việc cao. - Kết cấu đơn giản, nhỏ, gọn, chế tạo dễ dàng, giá thành hạ. - Có khả năng lắp dẫn cao, được chế tạo và chỉnh định hàng loạt. - Không gây nhiễu vô tuyến. - Tổn hao năng lượng cho thiết bị tự động ổn định điện áp nhỏ nhất. 1.3.2. Phân loại Với sự phát triển mạnh của lý thuyết điều khiển và khoa học công nghệ, hiện nay có rất nhiều kiểu loại bộ TĐĐC kích từ được sử dụng trên các tổ máy phát điện. Theo các phần tử chính sử dụng trong các bộ TĐĐC kích từ, người ta phân thành các loại sau: - ộ điều chỉnh kích từ kiểu cơ điện - ộ điều chỉnh kích từ kiểu điện từ - Bộ điều chỉnh kích từ kiểu bán dẫn - ộ điều chỉnh kích từ ứng dụng k thuật số a bộ tự động điều chỉnh trên là các bộ điều chỉnh kinh điển, thực hiện bằng sơ đồ mạch (phần cứng). ộ điều chỉnh thứ tư là loại ứng dụng k thuật điều khiển hiện đại vào điều khiển kích từ máy phát, nó cho phép thực hiện thuật toán điều khiển không chỉ bằng sơ đồ mạch (phần cứng) mà còn bằng một chương trình điều khiển (phần mềm) được ghi trong bộ nhớ của CPU. ộ điều khiển loại này cho phép ta thực hiện được các thuật toán điều khiển phức tạp, mở rộng tính năng điều khiển. 13 Nhờ ứng dụng k thuật điều khiển số, người ta đưa thêm vào nhiều biến điều khiển để nâng cao chất lượng làm việc của hệ thống. Tạo ra được các bộ điều khiển có khả năng thích nghi với nhiều đối tượng. 1.4. Bài toán điều khiển kích từ máy phát điện đồng bộ 1.4.1. Phương trình điện áp máy phát ài toán điều chỉnh kích từ máy phát điện đồng bộ được xây dựng từ phương trình điện áp của máy phát đồng bộ. Phương trình này được xây dựng ở dạng véc tơ như sau: U  E mp  E ud  E uq  Et  ru I (2-1) Trong phương trình trên: U : Điện áp đầu cực máy phát. E mp : SĐĐ trong cuộn dây máy phát. E ud : Thành phần SĐĐ phản ứng phần ứng dọc trục. E uq : Thành phần SĐĐ phản ứng phần ứng ngang trục. Et : Thành phần SĐĐ sinh ra do từ thong tản. ru : Điện trở thuần cuộn dây phần ứng. I : Dòng điện phần ứng. ru I : Thành phần điện áp rơi trên điện trở cuộn dây phần ứng. Các thành phần SĐĐ phản ứng phần ứng và SĐĐ tản tính theo dòng điện phần ứng và điện kháng phần ứng: E ud   jxud Id (2-2) E uq   jxuq Iq (2-3) Ea   jxa I   jxa ( Id  Iq ) (2-4) Từ (2-1) đến (2-4), viết gọn lại ta được: U  E mp  jxd Id  jxq Iq  ru I (2-5) xd  xud  xa : Điện kháng đồng bộ dọc trục của máy phát xq  xuq  xa : Điện kháng đồng bộ ngang trục của máy phát 14 Khi máy phát không tải, I = 0, điện áp máy phát bằng SĐĐ trong cuộn dây phần ứng. Nó có giá trị bằng U 0  Emf  4,44. f .W .K dc. kt . Khi máy phát mang tải, các thành phần SĐĐ phản ứng phần ứng và điện áp rơi trong cuộn dây phần ứng gây nên sự biến động điện áp đầu cực máy phát. Đây là nguyên nhân chính gây biến động điện áp đầu cực máy phát. 1.4.2. Biến động của điện áp máy phát khi tải có tính chất điện cảm Phụ tải có tính điện cảm đặc trưng bằng góc lệch pha φ giữa U và I lớn hơn 0 (véc tơ điện áp vượt trước véc tơ dòng điện). Phương trình (2-5) biểu diễn bằng biểu đồ véc tơ như hình vẽ 2-1 Từ biểu đồ véc tơ ta thấy khi góc lệch giữa điện áp và dòng điện (tính chất tải) càng lớn thì các thành phần sức điện động (SĐĐ) phản ứng phần ứng càng lớn, gây điện áp máy phát càng giảm mạnh. Nếu góc lệch không đổi, giá trị dòng lớn lên, cũng gây tác động giảm điện áp máy phát, nhưng ảnh hưởng không mạnh bằng tính chất tải. Hình vẽ 2-1: Biểu đồ véc tơ điện áp máy phát khi tải R - L 15 1.4.3. Biến động của điện áp máy phát khi tải có tính chất điện dung Phụ tải có tính chất điện dung đặc trưng bằng góc lệch pha φ giữa U và I nhỏ hơn 0 (véc tơ điện áp chậm sau véc tơ dòng điện). Phương trình điện áp máy phát (2-5) biểu diễn bằng biểu đồ véc tơ như hình vẽ 2-2 Hình vẽ 2-2: Biểu đồ véc tơ điện áp máy phát khi tải R – C Ngược lại với trường hợp tải điện cảm, trong trường hợp tải điện dung, khi giá trị dòng tải và góc lệch pha φ tăng, điện áp đầu cực máy phát sẽ tăng. Dòng điện phần ứng lúc này gây trợ từ cho máy phát. Như vậy tải điện dung tạo điều kiện tăng cường kích từ cho máy phát. Khi nghiên cứu các máy phát trên trạm, chúng ta sẽ gặp một số máy có nối tụ điện ở đầu cực để kích từ ban đầu cho máy phát chính là ứng dụng tính chất trợ từ của tải có tính chất điện dung. Nghiên cứu phương trình toán học máy phát đồng bộ và biểu đồ véc tơ điện áp máy phát, chúng ta thấy nguyên nhân gây biến động điện áp máy phát là phụ tải. Còn mức độ gây biến động điện áp ngoài phụ thuộc giá trị và tính chất của phụ tải, còn phụ thuộc vào các thông số của mạch điện, mạch từ của máy phát. Đó là điện trở của cuộn dây phần ứng, điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục máy phát 16 đồng bộ, là điện kháng tản trong khe hở không khí giữa mạch rotor và mạch stator. Sự thay đổi của điện áp máy phát theo I và φ theo đặc tính như trên hình vẽ 2-3. Đặc tính này còn gọi là đặc tính ngoài của máy phát. Hình vẽ 2-3: Đặc tính ngoài của máy phát đồng bộ Đến đây, chúng ta hình dung ra thuật toán ổn định điện áp máy phát đồng bộ. Từ phương trình (2-5), ta muốn ổn định đại lượng ở vế trái là điện áp. Các đại lượng ở vế phải gồm Ed, Eq, ru.I biến đổi khách quan. Để U không đổi, chỉ còn giải pháp điều chỉnh Emp. Đại lượng điều khiển để điều chỉnh E0 là từ thông kích từ kt. Nhiệm vụ điều chỉnh kích từ là tạo quy luật thay đổi dòng kích từ theo giá trị và tính chất của dòng phụ tải máy phát để giữ cho điện áp máy phát không đổi. Quy luật điều khiển dòng kích từ phụ thuộc vào các tham số của máy phát. Phương trình điều khiển Ikt = f(I, φ) khi U = const là phương trình phi tuyến do các tham số của máy phát không phải là hằng số mà biến đổi theo nhiệt độ và phụ thuộc vào điểm làm việc. Mặt khác, đặc tính lõi thép máy phát có dạng bão hòa. Giải phương trình và tạo ra được quy luật điều khiển chính xác là khó. ởi vậy, các bộ ổn định điện áp đạt tới độ chính xác 2% đã được coi là tốt. Nếu các hộ tiêu thụ đòi hỏi làm việc với độ ổn định điện áp cao hơn thì phải dùng bộ nguồn ổn áp thứ cấp. 17 Một điểm đặc biệt ở chế độ làm việc của các trạm phát điện độc lập là công suất nguồn và công suất phụ tải tương đương. Công suất phụ tải có thể thay đổi từ 0 đến 100% công suất của nguồn. Do vậy, ảnh hưởng của sự biến động phụ tải tới điện áp máy phát là rất lớn, điện áp máy phát rất nhạy cảm với sự biến động của tải. Do vậy, giải quyết vấn đề ổn định điện áp các trạm phát điện công suất nhỏ khó hơn các nguồn công suất lớn hơn rất nhiều. 1.5. Mô hình cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ gồm hai bộ phận: - Nguồn kích từ: Nguồn kích từ có chức năng cung cấp dòng một chiều kích từ máy phát. - ộ điều chỉnh kích từ: Thay đổi dòng kích từ máy phát theo thuật toán điều khiển bảo đảm tính ổn định động và t nh của điện áp máy phát. Để thực hiện được ba chức năng của hệ thống kích từ đã phân tích ở phần trên, phải giải quyết k thuật cả ở nguồn và bộ điều chỉnh. Nguồn kích từ phải có độ dự trữ điện áp kích từ và công suất kích từ. Điều này để đảm bảo khả năng cường hóa kích từ. Thông thường, độ dự trữ điện áp kích từ và công suất kích từ phải lớn hơn 2. KUkt  U KT max 2 U KT min K Ikt  I KT max 2 I KT min Khả năng cường hóa kích từ còn phụ thuộc khả năng tăng nhanh điện áp kích từ. Điều này phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều chỉnh kích từ, vào quán tính cơ điện từ của các khâu động học trong hệ thống. Hiện nay khi người ta sử dụng các bộ điều chỉnh kích từ tác động nhanh, thì tốc độ tăng kích từ chỉ còn phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch kích từ. 1.5.1. Nguồn kích từ máy phát đồng bộ Nguồn kích từ máy phát đồng bộ có hai loại: 1.5.1.1. Nguồn kích từ độc lập Ở loại nguồn này, năng lượng kích từ máy phát độc lập với điện áp phần ứng của máy phát. Nguồn kích từ là máy phát một chiều. Dùng nguồn kích từ độc lập đảm bảo được độ tin cậy kích từ, song làm cho hệ thống kích từ phức tạp, kích 18 thước lớn do thêm các mối ghép cơ học, khả năng tác động nhanh bị giảm do hệ thống kích từ thêm khâu quán tính. Tuy vậy, ở các máy phát lớn nguồn kích từ độc lập vẫn là giải pháp chính để kích từ máy phát do công suất kích từ lớn. 1.5.1.2. Nguồn kích từ phụ thuộc Ở loại nguồn này, năng lượng kích từ cho máy phát lấy ngay ở phần cứng của máy phát. Nguồn này có thể lấy ngay trong máy bằng cuộn dây phụ hoặc lấy ở đầu ra máy phát qua máy biến áp hạ áp. Dùng loại nguồn này đơn giản được kết cấu hệ thống kích từ, giảm kích thước, nâng cao được khả năng tác động nhanh. Để đảm bảo độ tin cậy kích từ ban đầu, người ta thường kết hợp các biện pháp cưỡng bức kích từ như mồi từ, mắc tụ điện ở đầu cực máy phát hoặc gắn nam châm v nh cửu ở đầu cực rotor máy phát. Hai loại nguồn kích từ này đều gặp trên các trạm phát điện hiện nay. Tuy nhiên kết cấu kiểu loại nguồn tự kích từ chiếm ưu thế ở các tổ hợp máy phát mới. 1.5.2. Cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh kích từ 1.5.2.1. Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ theo sai lệch điện áp Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ theo sai lệch điện áp như hình vẽ 2-4 sau: Đặt Uo Khuếch đại Chấp hành Kích từ Máy phát Phản hồi Hình 2-4: Sơ đồ khối hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ theo sai lệch điện áp Hệ thống gồm các khối cơ bản sau: - Khối 1: Cơ cấu đặt giá trị điện áp cần ổn định Uo. 19 - Khối 2: Khối so sánh. Khối này thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp thực với giá trị đặt xác lập điện áp định mức. ∆U = Umf – Uo. Trị số và dấu của điện áp sai lệch được đưa vào điều khiển khối 3. - Khối 3: Khối khuếch đại. Khối này thuwch hiện nhiệm vụ khuếch đại điện áp sai lệch do khối so sánh tạo ra. Độ nhạy, độ chính xác điều chỉnh của hệ thống phụ thuộc vào khối này. - Khối 4: Khối chấp hành. Khối này thực hiện thao tác điều chỉnh dòng kích từ theo quy luật khử sai lệch điện áp. - Khối 5: Khối đo điện áp thực tế của máy phát. Khối này tạo nên mạch phản hồi điện áp trong hệ thống và tạo nên hệ thống kín.Các khối 1, 2, 3, 4, 5 tạo nên bộ tự động điều chỉnh kích từ. - Khối 6: Là nguồn kích từ. Đây là khối được điều khiển. Đại lượng điều khiển là dòng kích từ và điện áp kích từ. - Khối 7: Máy phát đồng bộ. là đối tượng điều khiển Hệ thống T.Đ.Đ.C kích từ xây dựng theo mô hình cấu trúc trên hệ thống kín, tác động theo sai lệch nên có độ chính xác cao. Tuy nhiên hệ thống này có khả năng tác động nhanh hạn chế do tín hiệu qua nhiều khâu động học. Khả năng cường hóa từ kém. Với hệ thống này, để cường hóa kích từ, người ta sử dụng rơ le cường hóa kích từ. Khi điện áp máy phát điện giảm đột biến 20% Uđm, rơ le cường hóa kích từ tác động ngắn mạch trực tiếp điện trở trong mạch kích từ, tăng nhanh dòng kích từ, phục hồi nhanh điện áp máy phát. ộ điều chỉnh kích từ tác động theo sai lệch hay được sử dụng trong hệ thống kích từ có nguồn kích từ độc lập. 1.5.2.2. Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ tác động theo tải Hệ thống điều chỉnh kích từ tác động theo tải tạo quy luật điều chỉnh dòng kích từ trực tiếp theo dòng phụ tải và góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện phần ứng. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống như hình vẽ 2-5 sau: 20
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan