Tài liệu Nghiên cứu chế tạo hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY ĐIỆN TỬ VÀ TIN HỌC VIỆT MAM CÔNG TY CỔ PHẦN VIETTRONICS ĐỐNG ĐA BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG KÍCH THÍCH CHO MÁY PHÁT ĐIỆN, ỨNG DỤNG TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ THỦY ĐIỆN TRUNG BÌNH VÀ NHỎ, THAY THẾ HÀNG NHẬP KHẨU. Mã số:195-07RD/2007 Cơ quan chủ trì : Chủ nhiệm đề tài : Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa Số 56 - Nguyễn Chí Thanh – q. Đống Đa – tp. Hà Nội. Lưu Hoàng Long - Kỹ sư Điện - Giám đốc Cty. 6803 12/4/2008 HÀNỘI 12.2007 KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT PSS (Power System Stabilizer) : Bộ ổn định hệ thống nguồn AVR (Auto voltage regulator) : Bộ điều ổn áp tự động FCR (Field control regulator) : Bộ điều chỉnh kích từ THYRISTOR BRIDGE : CẦU THYRISTOR DIODE BRIDGE : CẦU ĐIỐT IGBT BRIDGE : CẦU IGBT MUB : Card đo lường COB : Card điều khiển LCP : Panel điều khiển tại chỗ RCP : Panel điều khiển từ xa AC : Dòng điện xoay chiều DC : Dòng điện một chiều CROWBAR : Mạch diệt từ trang 2 MỤC LỤC Trang: MỞ ĐẦU 6 1. Giới thiệu chung 2. Cơ sở pháp lý/xuất xứ của đề tài 6 3. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 7 4. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu 7 5. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và Cơ sở lý thuyết 7 7 5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 7 5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 8 5.3 Phương pháp tiến hành nghiên cứu 8 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH 9 I.1. Phân loại kích thích 10 I.2. Xem xét điều khiển kích thích máy phát 14 I.3. Xem xét về mặt điều khiển 16 I.4. Chức năng bảo vệ hệ thống. 17 CHƯƠNG II. KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU 19 II.1. Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB: 19 II.2. Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000 19 II.3. Cấu hình hệ thống UNITROL 5000 20 II.3.1. Khối chuyển đổi công suất 20 II.3.2. Khối mồi từ (Field Flashing) và diệt từ (Crowbar) 21 II.3.3. Khối điều chỉnh điện áp. 22 II.3.3.1. Chức năng điều chỉnh. 22 II.3.3.2. Chức năng giám sát và bảo vệ. 23 II.3.3.3. Chức năng ghi dữ liệu 23 II.3.3.4. Chức năng giám sát bộ xử lý. 23 II.3.3.5. Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS). 23 II.3.3.6. Chức năng truyền thông với hệ thống. 24 trang 3 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 26 Quy trình công nghệ chế tạo hệ thống điều khiển kích thích tĩnh 26 CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT SỐ IV.1. Thiết kế mô hình hệ thống 27 27 IV.1.1. Mục tiêu chung khi thiết kế hệ thống 27 IV.1.2. Quan điểm thiết kế hệ thống 28 IV.1.3. Thông số yêu cầu đáp ứng của hệ thống 29 IV.1.4. Thiết kế mô hình cấu trúc hệ thống 30 IV.1.5. Nguyên lý điện của hệ thống điều khiển kích thích tĩnh 33 IV.2. Nghiên cứu xây dựng phần mềm hệ thống kích thích 34 IV.3. Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống kích thích 52 IV.3.1. Thiết kế chế tạo hệ thống tủ điều khển 52 IV.3.2. Chế tạo card (board) đo lường 57 IV.3.2.1. Đặc điểm của board đo lường: 57 IV.3.2.2. Mô tả: 57 IV.3.2.3. Sơ đồ cấu trúc chung của board đo lường: 58 IV.3.2.4. Mô tả chức năng của các khối: 59 IV.3.2.5. Mô tả DSP TMS320VC5510: 68 IV.3.3. Chế tạo/ tích hợp bộ điều khiển V1000SE (COB) 73 IV.3.2.1. Giới thiệu hệ thống môdul PC104 và các card I/O IV.3.2.2. Mô tả Môdul PPM-GX500 74 - PC104 module 75 IV.3.2.3. Mô tả Môdul PC104 - PCM-A/D16 78 IV.3.2.4. Mô tả phần màn hình hiển thị LK204-25 của hãng MATRIX ORBITAL 85 IV.3.2.5. Thiết kế tổng thể phần cứng hộp bộ điều khiển 85 IV.3.2.6. Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều khiển loại V1000SE (COB) IV.3.4. Chế tạo panel hiển thị tại chỗ và từ xa IV.3.4.1. Mô tả phần màn hình hiển thị của hãng MATRIX ORBITAL 86 86 90 IV.3.4.2. Mô tả cấu trúc, kích thước bộ điều khiển tại chỗ và từ xa 91 IV.3.4.3. Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều khiển tại chỗ và từ xa loại V1000SE LCP và RCP IV.3.5. Chế tạo/ tích hợp bộ điều khiển công suất 91 93 trang 4 IV.3.6. Chế tạo/ tích hợp bộ mồi từ 96 IV.3.7. Chế tạo/ tích hợp bộ diệt từ 96 CHƯƠNG V. THỰC NGHIỆM 98 V.1. Thiết bị, dụng cụ, nguyên vật liệu và hoá chất sử dụng cho nghiên cứu V.2. Lắp ráp chạy thử hệ thống 98 98 V.3. Hiệu chỉnh hoàn thiện hệ thống 101 V.4. Chạy thủ nghiệm tại nhà máy phát điện 5MW 101 V.5. Kết quả thực nghiệm (nêu rõ các điều kiện tiến hành thực nghiệm và kết quả đạt được) và thảo luận 101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết quả đạt được (kết luận) 106 106 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo (kiến nghị) 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 108 trang 5 MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu chung Làm chủ công nghệ, tính tự động hóa, chất lượng điều khiển, tính ổn định, hiệu quả kinh tế là các tiêu chí hàng đầu đặt ra cho việc nghiên cứu chế tạo “Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện có công suất trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”. Việc làm chủ công nghệ và chủ động cung cấp các hệ thống điều khiển đồng bộ bằng nội lực hiện nay là một yêu cầu cấp bách, nhằm nâng cao tỷ trọng nội địa hoá các sản phẩm sản xuất trong nước. Do chưa làm chủ được công nghệ thiết kế chế tạo nên phần lớn các hệ thống thiết bị đồng bộ chúng ta vẫn phụ thuộc vào các tập đoàn Quốc tế. Tỷ trọng phần giải pháp công nghệ, thiết kế thông thường chiếm từ 30% đến 60%, thậm chí trong một vài dự án cụ thể nó chiếm tới 80% tổng giá thành của hệ thống thiết bị đồng bộ. Như vậy cho dù các điều kiện công nghệ sản xuất trong nước chưa cho phép ta sản xuất hết được các thiết bị điều khiển đòi hỏi công nghệ cao, chúng ta vẫn đạt được tỷ lệ sản xuất trong nước cao trong các hệ thống thiết bị đồng bộ bằng giá trị công nghệ, thiết kế trong hệ thống. Bài viết này đề cập về vấn đề nghiên cứu làm chủ công nghệ thiết kế, tích hợp, chế tạo hệ thống điều khiển đồng bộ về việc điều khiển kích từ (kích thích) máy phát cho các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện công suất trung bình và nhỏ. trang 6 2. Cơ sở pháp lý/xuất xứ của đề tài Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa là đơn vị thực hiện đề tài khoa học năm 2007 Theo hợp đồng số 195-07RD /HĐ-KHCN, ký ngày 01 thánđg 03 năm 2007 về việc “NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ” với nội dung “Nghiên cứu chế tạo Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”. Giữa bên giao là Bộ Công nghiệp và bên nhận là Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa. 3 .Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 9 Thay thế hàng ngoại nhập với chất lượng tương đương. 9 Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ. 9 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo tiên tiến, đảm bảo tính khả thi. 4. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu 9 Nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển kích thích máy phát điện. 9 Thiết kế chế tạo một hệ thống điều khiển công nghiệp trên cơ sở kết hợp thiết kế chế tạo ra các khối đo lường kỹ thuật số, khối mạch công suất, bảo vệ … từ những linh kiện rời (Chíp DSP xử lý tín hiệu số - DS1609; DSP TMS320VC5510; DSP56303PV100, Dualport RAM - IDT 71342SA, EEPROM nhớ chương trình M29F040B-70K6 & AM29F040-120JC, RAM cho dữ liệu - K6R1008V1C-JC12, Thạch anh 32MHz - SG-615PH C 32.0000M…) và ứng dụng các bộ điều khiển tiên tiến chuyên dùng cho công nghệp thuộc dòng PC104. 9 Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế hệ thống. 9 Thử nghiệm thực tế hệ thống cho ngành điện nói chung, nhà máy điện công suất 5MW nói riêng. 5.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và Cơ sở lý thuyết 5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước Hệ thống kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ đã được nghiên cứu, chế tạo từ rất lâu tại các nước phát triển. Một số hang chế tạo hệ thống điều khiển kích thích nổi tiếng trên thế giới như: ABB, AREVA, BASLER, VATech… trang 7 Cho đến nay các giải pháp về điều khiển kích thích cho nhà máy điện đã gần như hoàn thiện, không những hoàn thiện về tính năng và chất lượng điều khiển mà còn đáp ứng các tính năng liên quan khác như quản lý giám sát từ xa, thu thập và lưu giữ dữ liệu, kiểm soát ghi lại các trạng thái sự cố, giao diện thân thiện hơn… 5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước Các hệ thống kích thích cho các nhà máy điện hiện nay chủ yếu vẫn là nhập khẩu với giá thành cao, thời gian nhập khẩu kéo dài nhiều tháng, việc cài đặt hiệu chỉnh cũng phải thuê chuyên gia, giá công cao tính theo giờ. Trong khi đó nhu cầu về việc xây dựng các nhà máy phát điện ngày càng nhiều, theo quy hoạch phát triển ngành điện đến năm 2010 nước ta cần phải xây dựng 50 nhà máy điện các loại. Hiện nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, cũng như việc hội nhập của Việt Nam. Để chủ động về công nghệ cũng như kết hợp đội ngũ kỹ sư sẵn có chúng ta hoàn toàn có thể nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phục vụ cho các nhà máy điện thay thế các thiết bị nhập ngoại, đảm bảo đáp ứng thời gian cung cấp, bảo hành thiết bị kịp thời. Làm chủ công nghệ để chủ động trong thiết kế, chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ nói chung và hệ thống điều khiển đồng bộ nhà máy thuỷ điện nói riêng là một đòi hỏi cấp bách hiện nay, nó vừa là cơ hội và cũng là thử thách đối với các đơn vị chế tạo trong nước. Việc chế tạo được tất cả các thiết bị công nghệ cao để nâng cao tỷ lệ sản xuất trong nước và chủ động trong việc thiết kế chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ là mong muốn của toàn Đảng, toàn dân ta trong giai đoạn hiện nay. Trình độ công nghệ chế tạo trong nước chưa cho phép chúng ta sản xuất hết được các thiết bị đòi hỏi công nghệ, nghiên cứu cơ bản rất cao như các thiết bị PLC, PC thiết bị đo lường đặc biệt... để đạt tiêu chuẩn quốc tế với giá thành cạnh tranh thì giải pháp thiết kế tích hợp và lập trình điều khiển để chủ động cung cấp các hệ thống thiết bị đồng bộ là giải pháp tốt nhất hiện nay. Nếu làm được như vậy thì tỷ lệ nội địa hoá các hệ thống thiết bị đồng bộ đã đạt trên 50%, mặc dù chúng ta chưa chế tạo được các thiết bị công nghệ cao. 5.3 Phương pháp tiến hành nghiên cứu 9 Khảo sát mẫu nhập ngoại 9 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phù hợp với điều kiện các nhà máy điện trong nước. 9 Thử nghiệm hệ thống tại nhà máy điện 5MW và kiểm định các thông số kỹ thuật. trang 8 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngoài việc phải có động cơ sơ cấp kéo, còn phải có dòng điện kích thích. Dòng điện kích thích là một dòng điện một chiều, được đưa vào Rôto của máy phát để kích thích từ trường của Rôto máy phát. Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều này gọi chung là hệ thống kích thích máy phát Dòng điện kích thích máy phát, ngoài việc tạo từ trường cho Rôto, còn có thể dùng để điều chỉnh điện áp máy phát theo giá trị danh định hoặc theo giá trị đặt để hòa lưới. Ngoài ra, dòng điện này còn điều chỉnh công suất vô công của máy phát khi máy phát đã hòa vào lưới. Để có thể thay đổi trị số của dòng điện kích thích nhằm đáp ứng được các yêu cầu trên, cần phải có một bộ phận điều khiển. Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều áp. Hệ thống kích thích, với chức năng cung cấp dòng kích thích cho máy điện đồng bộ bao gồm tất cả, công suất, sự điều chỉnh và bảo vệ để điều chỉnh ổn định điện áp đầu cực máy phát, ra đời và phát triển cùng với máy điện đồng bộ với các tính năng ngày càng hiện đại và đáp ứng yêu cầu cao về ổn định điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn [IEEE std 421.4 - 2004]. Hình I.1: Sơ đồ khối hệ thống kích từ và điều khiển kích từ Hệ thống điều khiển kich từ là một bộ điều khiển hồi tiếp bao gồm máy phát điện và hệ thống điều khiển kích thích của nó. Thông qua điện áp cảm nhận được từ đầu cực máy phát, hệ thống điều khiển kích thích sẽ cấp dòng kích thích phù hợp đến cuộn dây kích thích máy phát để ổn định điện áp đầu cực máy phát theo giá trị mong muốn. Khi máy phát điện hoạt động song song với các máy phát điện khác hoặc nối lưới, điện áp đầu cực máy phát là do lưới quy định, trong trường hợp này chức năng chính của hệ thống điều khiển kích thích là cung cấp dòng kích thích cho máy phát điện đồng bộ để giữ công suất cảm kháng trên lưới, từ đó ổn định điện áp đầu cực máy phát. trang 9 I.1. Phân loại kích thích Căn cứ vào cách tạo ra dòng kích thích cung cấp cho dây quấn kích thích, nguời ta chia hệ thống kich từ thành hai nhóm chính: Hệ thống kích thích quay xây dựng trên các bộ kích thích quay một chiều DC (DC Exciter), bộ kích thích quay xoay chiều AC (AC Exciter) và hệ thống kích thích tĩnh xây dựng trên các bộ kích thích tĩnh (Static Exciter). Bộ kích thích AC và DC được xây dựng trên cơ sở sử dụng các máy phát điện một chiều (DC Exciter) hoặc xoay chiều có chỉnh lưu (AC Exciter) gắn đồng trục của Rotor, quay đồng bộ với Rotor để cấp dòng cho dây quấn kích thích. Bộ kích thích tĩnh (Static Exciter) đặt độc lập với máy phát, cấp dòng kích thích cho dây quấn kích thích qua cơ cấu chổi quét vòng góp điện. Dòng kích thích của bộ kích thích tĩnh được lấy từ đầu cực máy phát thông qua khối cầu chỉnh luư Thyristor có điều khiển. a) Hệ thống kích thích một chiều (DC) Ngày nay, bộ kích thích DC vẫn còn được sử dụng ở nhiều máy phát đồng bộ (Synchronous Generator-SG) có công suất thấp hơn 100MVA. Nó được cấu tạo gồm hai máy phát điện một chiều kiểu vành góp điện DC (DC commutator electric generator) đóng vai trò là: Bộ kích thích chính (Main Exciter- ME) và bộ kích thích bổ trợ (Auxiliary Exciter- AE) gắn đồng trục và quay đồng bộ với Rotor máy phát. Hinh I.2: Hệ thống kích thích một chiều Khi Rotor quay, máy phát điện AE sẽ tạo ra dòng điện cấp cho máy phát điện ME. Tới lượt mình, ME sẽ tạo ra dòng một chiều cấp cho dây quấn kích thích máy phát để tạo ra sức điện động cảm ứng trên đầu cực máy phát. Bộ kích thích DC được điều khiển bởi AVR thông qua điện áp điều khiển Vcon. Hệ AE và ME đóng vai trò như một bộ khuyếch đại công suất với hệ số khuyếch đại lên tới 600/1 (20.30), do vậy ta chỉ cần công suất thấp để cấp cho bộ kích thích. Tuy nhiên lợi thế này bị trả giá bởi: - Đáp ứng thời gian chậm, mà nguyên nhân là hằng số thời gian ở cuộn dây kích thích ở ME và AE lớn. - Vấn đề ăn mòn chổi quét ở ME và AE trang 10 - Có thể gây ra hiện tượng xoán trục khi có tải, mà nguyên nhân là đáp ứng chậm của nó. Không có khả năng dự phòng online, rất khó cho bảo vệ khi tất cả các thành phần của hệ thống đều là cơ cấu quay. Vì những nguyên nhân này mà hiện nay phần lớn hệ thống kích thích DC đã được thay thế bằng hệ thống kích thích tĩnh b) Bộ kích thích xoay chiều (AC) Bộ kích thích AC vẫn được sử dụng trong công nghiệp ngay cả ở các máy đồng bộ mới. Nó được thiết kế trên cơ sở sử dụng một máy phát điện đồng bộ (Excitation Synchronous Generator-ESG) và một cầu chỉnh lưu diode gắn trên trục của nó. Bộ kích thích AC gắn đồng trục với máy phát. Hình I.3: Hệ thống kích thích xoay chiều Khi hệ thống hoạt động, điện áp xoay chiều đầu cực ESG được chỉnh lưu bằng cầu chỉnh lưu diode để tạo ra dòng DC cấp trực tiếp tới dây quấn kích thích của máy phát.Điện áp đầu cực máy phát được điều khiển bởi bộ AVR thông qua điện áp Vcon. Bộ kích thích AC có hệ số khuyếch đại khoảng 1/20(30) do chỉ sử dụng một máy phát kích thích, do vậy chỉ cần công suất bé để cấp cho hệ thống. Hệ thống kích thích AC có đặc điểm - Đáp ứng thời gian của hệ thống vẫn còn lớn. - Công suất điều khiển nhỏ - Vẫn còn khả năng gây xoán trục khi có tải. - Khả năng dự phòng thấp, chỉ có thể dự phòng hệ chỉnh lưu. - Không có khả năng dự phòng online, rất khó cho bảo vệ khi tất cả các thành phần của hệ thống đều là cơ cấu quay, không tĩnh. c) Bộ kích thích tĩnh Bộ kích thích tĩnh, thiết kế trên cơ sở cầu chỉnh lưu Thyristor có điều khiển, được sử dụng rộng rãi từ những năm 1960. Trong bộ kích thích tĩnh, điện áp (có thể cả dòng điện) ở đầu cực máy phát được chuyển đổi về một mức thích hợp, được chỉnh lưu có trang 11 hoặc không có điều khiển và cấp trực tiếp tới dây quấn kích thích thông qua cơ cấu chổi quét, vòng góp điện. Hình I.4: - Vị trí của hệ thống kích thích tĩnh Hình I.5: Hệ thống kích thích tĩnh Sự ra đời IGBT công suất lớn mở ra hướng thay thế cầu chỉnh lưu Thyristor có điều khiển bằng hệ Diode-IGBT điều khiển bằng phương pháp điều chế biên độ xung PWM Hệ chỉnh lưu Diod-IGBT có ưu điểm về điều khiển và bảo vệ là huớng phát triển triển vọng trong tương lai. trang 12 V_EX Hình I.6: Cầu chỉnh lưu công suất có điều khiển dùng Thyristor và IGBT Hệ thống kích thích tĩnh có ưu điểm về tính ổn định cao, dễ dàng thiết kế, chế tạo, vận hành và thuận lợi cho dự phòng thay thế. Hơn nữa, bộ kích thích tĩnh được thiết kế trên cơ sở bộ chỉnh lưu Thyristor, có công suất kích thích được lấy từ đầu cực máy phát do vậy hằng số thời gian của hệ thống là bé. Tuy nhiên, Hệ thống kích thích tĩnh gặp một số hạn chế như: - Nguồn kích thích được lấy trực tiếp từ đầu cực máy phát nên cần phải có một nguồn công suất phụ độc lập để mồi từ cho hệ thống. Hơn nữa, dễ sinh ra tia lửa điện ở cơ cấu vành trượt và chổi than. - Điện áp đầu cực máy phát biến thiên liên tục trong một dải lớn, do vậy miền biến thiên của điện áp kích thích là lớn, gây ra những ảnh hưởng xấu tới thiết bị nối với máy cũng như dây quấn Rotor và Stator. Những hạn chế này là nhỏ và được giải quyết bởi trình độ của khoa học kỹ thuật hiện tại. Người ta có thể đưa ra các khái niệm về giới hạn kích thích và định ra giới hạn hoạt động của hệ thống. Do vậy, hệ thống kích thích tĩnh được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong các nhà máy phát điện. Bộ kích thích tĩnh có hai kiểu chính: - Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn thế (Potential source-rectifier exciter) - Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp (Compound source-rectifier exciter) d) Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thế Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thế, được sử dụng phổ biến hiện nay có công suất kích thích được cấp từ một máy biến thế (Potential Transformer - PT) nối với đâu cực máy phát, và được chỉnh lưu bởi cầu chỉnh lưu Thyristor hoặc hệ Diode-IGBT có điều khiển. e) Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp Bộ kích thích kiểu nguồn hỗn hợp, được sử dụng trong một vài ứng dụng cụ thể, yêu cầu duy trì dòng ngắn mạch 3 pha trên đầu cực máy phát.Dòng ngắn mạch này không phải do lỗi gây ra mà là do dòng khởi động của một động cơ rất lớn gây nên sụt giảm điện áp máy phát gây ra. Khi qua quá trình khởi động động cơ, điện áp sẽ được phục trang 13 hồi một cách nhanh chóng. Trong trường hợp này hệ thống sẽ không thực hiện việc cắt máy cắt vì không phải là lỗi Trong bộ kích thích này, ngoài biến áp lực người ta còn sử dụng 2 hoặc 3 biến dòng công suất lớn để cấp dòng kích thích trực tiếp tới cuộn Rotor khi ngắn mạch. Bởi vì trong trường hợp đó ta không điều khiển được điện áp nữa do sự sụt giảm rất nhanh của điện áp đầu cực khi ngắn mạch, hoặc sụt áp. I.2 Xem xét điều khiển kích thích máy phát Hầu hết các đối số điều chỉnh mà ảnh hưởng đến thao tác của hệ thống điều khiển kích thích được chứa trong các phần tử của hệ thống kích thích bao gồm bộ xác định lỗi điều chỉnh điện áp, các bộ bù, các giới hạn và bộ ổn định hệ thống kích thích. Điều khiển điện áp đầu cực là chức năng đầu tiên của bộ điều khiển kích thích, trong trường hợp máy phát điện đồng bộ nối lưới, chức năng điều khiển của hệ kích thích được chuyển sang ổn định công suất phản kháng hoặc ổn định hệ số công suất. f) Chức năng điều khiển bằng tay Điều khiển bằng tay là một thành phần không thể thiếu của hệ thống kích thích, chức năng điều khiển bằng tay thường được thiết kế để điều chỉnh máy dòng điện hoặc điện áp kích thích từ không tải đến đầy tải. Chức năng này được thực hiện khi thí nghiệm bàn giao (commissning) hệ thống và điều khiển dự phòng khi có lỗi xảy ra với bộ điều khiển tự động. g) Chức năng điều khiển tự động Chức năng điều khiển tự động bao gồm các giới hạn của nó chứuc năng ổn định, điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát đồng bộ bởi cung cấp tín hiệu điều khiển tới cầu chỉnh lưu công suất. Tất cả sự điều chỉnh, máy phát và hệ thống công suất đều ảnh hưởng đến điện áp đầu cực máy phát. Đặc tính ổn định Đáp ứng của hệ thống kích thích biến đổi chậm theo tải, tần số và nhiệt độ của môi trường, tất cả kết hợp nên đặc tính ổn định của hệ thống. Thuật ngữ điều chỉnh tải là điểm quan tâm kế của sự thay đổi điện áp mà kết quả là sự thay đổi tải. Giả sử tải thay đổi từ không tải đến đủ tải trừ các trường hợp khác. Bộ điều chỉnh tải thường được lấy ở +/-0.5%. Đặc tính tín hiệu nhỏ. Đặc tính tín hiệu nhỏ tham chiếu tới các đáp ứng của nó khi sự không tuyến tính trong thực hiện của hệ thống điều khiển kích thích có thể bỏ qua. Đặc tính quá độ và tần số kết hợp với hệ thống điều khiển hồi tiếp là cơ sở đặc biệt của đặc tính tín hiệu nhỏ. trang 14 Đặc tính tín hiệu lớn Đặc tính tín hiệu lớn tham chiếu tới các đáp ứng của đầu ra hệ thống kích thích bất ngờ thay đổi lớn theo hệ tải mà đặc tính thực hiện của hệ thống kích thích không tuyến tính. a) Chức năng điều khiển bù Một số lớn các chức năng điều khiển bù ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống kích thích. Các chức năng này có thể không được trang bị trong hầu hết các hệ thống hoặc chỉ được active trong các trường hợp đặc biệt khi thực hiện ở chế độ điều khiển tự động. Thông thường nó bao gồm các thành phần trong hệ thống điều khiển kích thích máy phát đồng bộ và không bao gồm các chức năng bảo vệ, mặc dù nó cần thực hiện đóng với vài chức năng bảo vệ nào đó. Những hệ thống kích thích hiện đại thường được kết hợp giữa hai phần này. Hệ thống kích thích được kết hợp bao gồm những thành phần: Bộ điều khiển điện áp tự động, bộ điều chỉnh bằng tay, giới hạn kích thích, bộ ổn định hệ thống công suất, giới hạn Volts/Hertz. Các chức năng điều khiển bù bao gồm: Bù độ chúc cảm kháng, Bù sự chênh lệch cảm kháng khi các máy nối lưới hoặc nối song song với nhau, bù sự sụt áp gây ra do tải. Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất(PSS) là một chức năng điều khiển bổ sung để trang bị cho hệ thống kích thích nhằm tăng tính ổn định của hệ thống công suất, ổn định của tần số máy phát khi máy nối tải.PSS sẽ giảm thiểu sự giao động của tần số máy phát. b) Chức năng giới hạn. Giới hạn dưới kích thích Giới hạn dưới kích thích được tính đến trong hầu hết các ứng dụng để ngăn cản sự hoạt động phần dưới kích thích của đường cong khả năng của máy đồng bộ (thướng gây ra sự nóng của lõi thép Stator), hoặc hoạt động trong một khu vực tiệm cận với giới hạn cân bằng trạng thái ổn định hoặc cả hai. Mặc dù giới hạn dưới kích thích thường là một thiết bị cảm nhận trở kháng, mục đích là nó có thể được so sánh với đường cong khả năng của máy phát điện đồng bộ hoặc giới hạn cân bằng trạng thái ổn định. Thao tác của nó được kết hợp với bảo vệ mất kích thích cho máy phát đồng bộ. Trong một vài trường hợp, giới hạn dưới kích thích không được đóng với PSS. Giới hạn dưới kích thích có thể được chỉ lại trên cơ sở nhiệt độ hoạt động của máy phát điện đồng bộ. Giới hạn quá kích thích Giới hạn quá kích thích được sử dụng ban đầu để tránh sự quá nhiệt của cuộn dây kích thích máy phát điện đồng bộ khi dòng kích thích trên sự hoạt động danh định. Nhiệt độ quá tải của cuộn dây này tỉ lệ nghịch với thời gian, và hơn nữa giới hạn này có thể được chậm trể. Giới hạn này thường được kết hợp trong một hệ điều khiển đa bậc và các khối bảo vệ cho dây kích thích. Giới hạn quá kích thích có thể được đưa ra trên cơ sở làm lạnh máy phát điện đồng bộ. Giới hạn Volts/Hertz trang 15 Giới hạn Volts/Hertz có cùng tên như vậy vì từ thông tỉ lệ với điện áp đầu cực trên tần số. Từ thông dư thừa này có thể gây ra sự quá nhiệt và phá hỏng lõi sắt và sự cách điện của cuộn dây Stator. Giới hạn V/Hz được sử dụng để ngăn cản sự quá nhiệt xuất hiện từ sự dư thừa từ thông do sự hoạt động dưới tần số hoặc quá áp hoặc cả hai. Giới hạn V/Hz thường được dùng để bảo vệ một máy phát điện đồng bộ (và các máy biến thế kết nối với nó) trong suốt quá trình khởi động, các chủ thể có thể của máy phát (và các máy phát kết nối với nó) tới hệ kích thích trong suốt quá trình giảm tốc độ (và sau đó là giảm tần số). Nó cũng được dùng để bảo vệ máy phát đồng bộ (và các máy biến thế nối với nó) từ mức từ thông cao, khi điều này xảy ra với máy ở chế độ off-line, trong suốt quá trình đó không có dòng cảm ứng phần ứng để chống lại sự tăng điện áp đầu cực máy phát tương ứng với sự tăng dòng kích thích. Cũng như vậy, thỉnh thoảng được sử dụng khi hai máy đồng bộ được khởi động đồng bộ với nhau, một như motor và một như máy phát. Trong kiểu hoạt động này, giới hạn V/Hz hành động khi điện áp đầu cực máy phát tăng khi tần số tăng. Đặc tính V/Hz nên được xem xét. Chức năng điều khiển Var/Pf Trong vài ứng dụng, bộ điều khiển điện áp thỉnh thoảng được bổ sung hoặc thay thế với một bộ điều khiển hoặc điều chỉnh Var hoặc hệ số công suất PF. Vậy đối tượng điều khiển lúc đó sẽ là công suất phản kháng Q(Var), hoặc hệ số công suất Cosϕ. I.3.Xem xét về mặt điều khiển a. Diệt từ Phương pháp triệt tiêu năng lượng có thể bao gồm một ngắt từ AC kết hợp với mạch shunt cầu chỉnh lưu có điều khiển crowbar và một điện trở lớn. Mạch điều khiển kích thích đặc biệt cưỡng bức đầu ra tới không hoặc điện áp âm có thể được sử dụng trong hầu hết các hệ thống kích thích hiện đại. Phương pháp shutdown dự phòng thường sử dụng để chống lại lỗi của ngắt. Trong các cấu hình của hệ thống kích thích tĩnh cho phép dùng một bộ ngắt ngắn mạch. Đặc biệt mạch điều khiển kích thích cưỡng bức đầu ra tới 0 được sử dụng cho hầu hết hệ thống. Bộ diệt từ tác động nhanh có thể được thực hiện theo phương pháp số. b. Đơn vị điều khiển bằng tay Chức năng điều khiển bằng tay có thể dùng một biến trở trong trường hợp bộ kích thích quay DC. Chức năng điều khiển này thường được dùng trong hệ chỉnh lưu quay. Trong hầu hết kiểu kích thích, vài dạng điều chỉnh DC được kết hợp để cung cấp chức năng điều khiển điện áp kích thích hoặc dòng kích thích. Quá trình tự động điều chỉnh tới chức năng điều khiển bằng tay điện áp hoặc dòng hoặc cả hai có thể là kết quả từ lỗi gây ra bởi một thành phần điều khiển, hoặc khi phát hiện ra lỗi hoặc quá kích thích (quá áp hoặc quá dòng). Trong vài hệ thống, AVR được yêu cầu cho thao tác vận hành độc lập. Trên các hệ thống này, chuyển đổi tới thao tác điều khiển bằng tay không cho phép và lỗi của AVR có thể là làm đóng ngắt một thiết bị chuyển mạch hoặc chuyển sang chế độ hoạt động dự phòng. trang 16 c. Đơn vị điều khiển tự động Chức năng điều khiển tự động được xây dựng theo yêu cầu điều khiển máy điện đồng bộ. Thông thường một hệ thống điều khiển kích từ được trang bị nhiều chức năng điều khiển như điều khiển điện áp đầu cực máy phát, điều khiển công suất phản kháng, hệ số công suất… Mỗi chức năng điều khiển hoạt động theo yêu cầu và trong các trường hợp khác nhau. Chức năng điều khiển tự động của hệ thống điều khiển kích thích có thể được điều khiển và giám sát từ xa, qua giao tiếp mạng. Một đơn vị tự động start/stop được xem xét để đưa hệ thống kích thích vào hoạt động hoặc remove nó ra khỏi hệ thống trên cơ sở đóng mở các tiếp điểm. I.4.Chức năng bảo vệ hệ thống. Chức năng bảo vệ hệ thống được xem xét trên cơ sở những sự cố có thể xảy ra và ảnh hưởng của nó đối với hệ thống kích thích và các thiết bị liên kết với hệ thống. Theo đó, những lỗi được xem xét khi xây dựng hệ thống kích thích là: - Mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR - Lỗi ở AVR - Lỗi cầu chỉnh lưu Thyristor - Ngắn mạch - Chạm đất cuộn dây Rotor a) Mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR Khi mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR do nguyên nhân lỗi đường truyền từ máy biến thế trường tới AVR. AVR nhận được một điện áp rất thấp và sẽ cố làm tăng nó bằng cách điều khiển tăng điện áp kích thích, dấn đến điện áp đầu cực sẽ tăng. Điện áp đầu cực có thể tăng đến 60% tùy vào các giá trị quá kích thích, hoặc dưới kích thích đặt cho máy. Đây là mức điện áp nguy hiểm đối với cuộn dây máy phát và các thiết bị sử dụng. Nếu máy nối lưới, khi tăng công suất kích thích không làm tăng điện áp đầu cực máy phát mà chỉ làm tăng công suất phản kháng lên lưới. Những máy khác sẽ hấp thụ công suất phản kháng của lưới để duy trì sự ổn định điện áp đầu cực, gây ra sụt công suất tác dụng của toàn lưới và làm quá nhiệt ở cuộn dây Rotor. Lỗi này được xử lý bởi các Roler quá áp đặt ở đầu vào dây quấn Rotor, các Roler quá áp để quan sát điện áp pha hoặc một chuỗi các Role quan sát cảm nhận đầu vào AVR. b) Lỗi ở AVR Lỗi ở AVR thường tạo ra một trong hai chế độ hoạt động của máy phát đó là: Chế độ hoạt động thiếu hoặc mất kích thích và chế độ hoạt động quá kích thích. Hệ thống hoạt động ở chế độ mất kích thích: Lỗi này thường xảy ra khi có sự sụt áp đầu cực máy phát, do các nguyên nhân như ngắn mạch…Trong trường hợp này, máy sẽ không đủ công suất cấp cho tải. Ngoài ra, công suất từ trong máy nhỏ hơn công suất cơ rất nhiều, góc tải sẽ tăng nhanh vượt quá 900 gây mất tính đồng bộ của máy. Điều này sẽ làm tăng nhiệt độ của cuộn dây Stator, trang 17 phá hỏng lớp cách điện của dây dẫn. Khi máy nối lưới, máy sẽ hấp thụ công suất phản kháng của lưới để duy trì điện áp đầu cực. Máy sẽ biến thành động cơ với công suất được cấp bởi lưới có thể gây ra xoắn trục Rotor, quá nhiệt ở cuộn dây Rotor do dòng kích thích cưỡng bức phản hồi từ lưới. Hệ thống hoạt động ở chế độ quá kích thích: Trong trường hợp này, dòng kích thích lớn sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt và có thể làm hỏng lớp cách nhiệt ở cuộn dây Rotor. Ngoài ra, điện áp đầu cực của máy sẽ rất lớn gây ra quá áp ở tải cũng như quá nhiệt ở cuộn Stator. Khi máy nối lưới, máy sẽ bơm công suất phản kháng vào lưới, các máy khác sẽ hấp thụ công suất phản kháng của lưới để duy trì điện áp lưới ổn định, gây ra sụt công suất tác dụng của toàn lưới và gây ra quá nhiệt trên cuộn Rotor. Đây là hai chế độ hoạt động nguy hiểm đối với máy phát và các thiết bị kết nối với máy. Để bảo vệ, ở đầu các cuộn dây kích thích, người ta sẽ gắn các Roler bảo vệ quá/dưới dòng, áp. Các cảm biến nhiệt được cài đặt để đo nhiệt độ của dây quấn Rotor và Stator. c) Lỗi cầu chỉnh lưu Thyristor. Các lỗi xảy ra với cầu Thyristor là: Mất điều khiển, luôn mở, luôn đóng, hoặc một chiếc Thyristor nào đó bị hỏng…Khi đó chất lượng điện áp cạnh DC của Thyristor sẽ không tốt, hài không mong muốn, ảnh hưởng xấu đến điện áp kích thích cung cấp cho máy. Để bảo vệ, người ta sử dụng các Rơle quan sát độ gợn sóng của dòng kích thích. Lỗi cầu Thyristor còn xảy ra khi nhiệt độ trong tủ đựng là lớn, ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của Thyristor. Do vậy ở trong các tủ đựng Thyristor nhiệt độ làm việc luôn được điều khiển và quan sát, hệ thống làm mát và bảo vệ quá nhiệt phải được lắp đặt tại đây. d) Ngắn mạch. Dưới điều kiện ngắn mạch, đáp ứng của hệ thống kích thích phụ thuộc vào thiết kế, và khoảng cách từ vị trí ngắn mạch tới. Khi ngắn mạch xảy ra điện áp đầu cực máy phát sẽ giảm, dòng điện đầu cực tăng, có thể gây mất điều khiển AVR. AVR có thể chuyển sang hoạt động ở chế độ điều khiển FCR hoặc ngắt mạch khi dòng tăng quá lớn và điện áp đầu cực tiến tới 0. Dòng điện tăng đột ngột này có thể phá hỏng Thyristor vì vậy trên các đầu vào của mỗi van chỉnh lưu Thyristor người ta còn đặt các cầu chì tác động nhanh để giới hạn dòng điện bảo vệ Thyristor. e) Lỗi chạm đất. Lỗi này được xem xét một cách ngiêm túc do hậu quả mà nó gây ra. Cơ cấu chổi quét vòng góp điện có khả năng bị bụi bám vào gây chạm đất, vì thế người ta có thể xem đó là điểm đất của dây Rotor và máy vẫn hoạt động bình thường. Tuy nhiên, nếu vì một nguyên nhân nào dó mà mạch từ có điểm chạm đất thứ 2. Khi đó, sự quá nhiệt nội tại của các thanh dẫn có thể phá hỏng sự cách điện của dây quấn Rotor. Trong trường hợp này một rơle xác định điểm chạm đất được áp dụng cho điểm chạm đất thứ nhất, và cảnh báo hoặc ngắt mạch khi có một điểm chạm đất thứ 2 xuất hiện. trang 18 CHƯƠNG II KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng nổi tiếng chế tạo hệ thống điều khiển kích thích máy phát, với công nghệ hiện đại với các hãng như Basler, ABB, AREVA… và hầu hết việc ứng dụng điều khiển các máy phát là những hệ thống kích thích tĩnh vì nó bộc lộ nhiều ưu điểm đáp ứng được yêu cầu hiện nay. Thực tế, chúng tôi đã được chứng kiến phía công ty Nhiệt điện Uông Bí tại thị xã Uông Bí tỉnh Quảng Ninh đã và đang sử dụng 02 hệ thống kích thích tĩnh UNITROL5000 của hãng ABB cho hai máy phát 55MW từ năm 2001, hệ thống này đã thay thế hẳn phần máy phát kích nối liền trục với máy phát chính nên đã hạn chế nhiều sự cố do khâu máy phát kích luôn phải đại tu, hoặc sự cố và nhược điểm lớn nhất là do chổi than và vành trượt. Đến nay hệ thống kích thích tĩnh làm việc rất ổn định, điều khiển tối ưu, gần như không gặp phải sự cố trong nhiều quý vận hành nên năng xuất phát điện của công ty tăng lên rõ rệt. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã chọn hệ thống điều khiển kích thích tĩnh của hãng ABB để làm mục tiêu nghiên cứu học hỏi với mục đích chế tạo, tích hợp hệ thống để có sản phẩm tương tự và có giá thành rẻ hơn, chất lượng vẫn đảm bảo, làm chủ hơn về công nghệ. Sau đây chúng tôi sẽ đề cập đến các vấn liên quan: II.1.Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB: UNITROL 5000 là dòng sản phẩm Hệ thống kích thích sử dụng công nghệ vi xử lý công nghệ mới nhất. UNITROL là dòng sản phẩm kế thừa kinh nghiệm 40 năm chế tạo bộ chuyển đổi công suất và 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chế tạo hệ thống kích thích trên cơ sở sử dụng bộ vi xử lý. Hệ thống kích thích tĩnh (Static Excitation Systems - SES) được sử dụng cho các nguồn công suất 50Hz, 60Hz hoặc 16 2/3 Hz với dòng kích thích từ 1000Adc đến hơn 10.000Adc. Bộ điều chỉnh điện áp tự động (Automatic Voltage Regulating Systems – AVR) điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát được thiết kế đặc biệt sử dụng được với tần số từ 16 2/3 đến 400Hz. Ứng dụng truyền thông qua cáp quang, cáp đồng trục với chuẩn ARCnet. II.2.Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000 - Có 2 bộ điều khiển điện áp, một bộ có chức năng dự phòng (có thể lựa chọn). - Tín hiệu đầu vào được xử lý số bao gồm: o Điện áp 3 pha o Dòng điện 3 pha. - Các chức năng điều khiển bổ sung được thực hiện bằng phần mềm, không cần bổ sung thêm phần cứng. - Dễ dàng mở rộng thêm đầu vào ra tương tự và số với bus ARCnet. trang 19 - Có chức năng tự động ghi chép lại các sự kiện và các lỗi với tính thời gian thực. - Có khả năng truy nhập từ xa thông qua các giao thức chuẩn như: o Modbus, Mobus+, Profibus. - Bộ chuyển đổi công suất (Power Converter) được dự phòng. Có thể lên tới 8 bộ chuyển đổi công suất được kết nối song song. Sự dự phòng độc lập với cấu hình điều khiển. - Bộ chuyển đổi công suất được trang bị một thiết bị giám sát và hiển thị bao gồm: o Giám sát dòng vào thyristor o Giám sát và điều khiển quạt o Giám sát cầu chì, nhiệt độ bộ chuyển đổi công suất, luồng gió làm mát o Hiển thị dòng qua cầu thiristor. - Một Panel điều khiển được sử dụng để điều khiển hệ thống, hiển thị các thông số của máy phát, với khoảng cách lên tới 300m. - Một phần mềm CMT được sử dụng để giám sát và chẩn đoán từ xa các lỗi gây ra cho hệ thống. II.3.Cấu hình hệ thống UNITROL 5000 Hệ thống kích thích tĩnh UNITROL 5000 được thiết kế trên cơ sở ghép nối các module được chế tạo riêng biệt. Hệ thống kích thích tĩnh được xây dựng trên cơ sở ghép nối các ngăn module chức năng (hình II.1): Ngăn thứ nhất chứa các bộ điều khiển, cấp nguồn điều khiển và panel điều khiển – hiển thị. Ngăn tiếp theo là ngăn cấp nguồn chính cho mạch lực bao gồm máy cắt chính, thiết bi đo phía xoay chiều, Tiếp nữa là một hoặc nhiều bộ chuyển đổi công suất dùng cầu sáu Thyristor trong một hoặc nhiều ngăn, ngăn cuối là phần bảo vệ diệt từ (Crowbar), mạch mồi từ (Field Flashing) và phần đầu ra một chiều. Sự trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều chỉnh, giữa các thành phần bộ chuyển đổi công suất và với các thiết bị hiển thị được thực hiện thông qua bus nối tiếp ARCnet. Các Panel điều khiển có thể đặt và thao tác với khoảng cách lên tới 1000m thông qua cáp quang. II.3.1 Khối chuyển đổi công suất UNITROL 5000 sử dụng hoặc bộ chuyển đổi công suất kiểu DCS500 hoặc UNL 13300. Kiểu và số bộ chuyển đổi công suất mắc song song dựa trên yêu cầu về điện áp trần và chu kỳ làm việc lớn nhất đối với hệ thống. Các chọn lựa có thể được đáp ứng theo: trang 20