Tài liệu Mô phỏng hệ thống kích từ unitrol 6800 điều khiển máy phát tại nhà máy thủy điện hàm thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM SỸ NGUYÊN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL - 6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT TẠI NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐINH THÀNH VIỆT Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn PHẠM SỸ NGUYÊN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN SIMULATING THE UNITROL_6800 EXCITATION SYSTEM CONTROLS THE HAM THUAN HYDROELECTRIC GENERATOR Học viên: Phạm Sỹ Nguyên, Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: 60520202, Khóa: K33.KTĐ.LĐ. Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt - Trong luận văn này đã nghiên cứu giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ và mô phỏng chức năng tự động điều khiển điện áp (AVR) kết hợp với bộ ổn định hệ thống điện PSS4B của hệ thống kích từ điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận. Luận văn đã sử dụng công cụ giải thuật di truyền (GA) trên phần mềm Matlab để tối ưu bộ điều khiển kích từ, Tính toán các thông số của hệ thống và sử dụng phần mềm Matlab Simulink xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800. Qua kết quả đạt được phân tích và đánh giá để từ đó đưa ra đề xuất sử dụng bộ các thông số tối ưu cho hệ thống kích từ hiện hiện hữu. Từ khóa: Hệ thống kích từ; Mô hình hệ thống kích từ; Bộ ổn định hệ thống điện; Công cụ giải thuật di truyền (GA) trong Matlab; Hệ thống kích từ Unitrol-6800 Abstract. - in this thesis studied genetic algorithm (GA) optimization of the excitation and dynamics control (AVR) function in conjunction with the power system stability (PSS4B) of Ham Thuan Hydropower Generator Control System. The thesis utilized the GA genetic algorithm tool in Matlab software to optimize the excitation controller, calculate the system parameters and use the Matlab software. Simulink built the simulation model of the excitation system Unitrol_6800. Through the results obtained analysis and evaluation, from which to propose to use the optimal set of parameters for the existing click system. Key words: Excitation system, model of the excitation system, power system stability, The genetic algorithm (GA) tool in Matlab software, excitation system Unitrol_6800. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................1 3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu..........................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................2 6. Cấu trúc luận văn: ....................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN .......................3 1.1. GIỚI THIỆU CÔNG TY CỔ PHẦN THỦY ĐIỆN ĐA NHIM – HÀM THUẬN – ĐA MI .......................................................................................................................3 1.2. TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN ...................................3 1.2.1. Thông số tuyến năng lượng ............................................................................3 1.2.1.1. Hồ chứa ....................................................................................................3 1.2.1.2. Đập chính .................................................................................................3 1.2.1.3. Đập tràn ....................................................................................................4 1.2.1.4. Đập phụ ....................................................................................................4 1.2.1.5. Cửa lấy nước ............................................................................................5 1.2.1.6. Đường hầm và tháp điều áp .....................................................................6 1.2.1.7. Đường ống áp lực .....................................................................................6 1.2.1.8. Thiết bị hạ lưu ..........................................................................................6 1.2.2. Các sơ đồ nối điện chính nhà máy ..................................................................7 1.2.2.1. Sơ đồ nối điện 220 kV ..............................................................................7 1.2.2.2. Sơ đồ nối điện 110 kV ..............................................................................7 1.2.2.3. Sơ đồ nối điện 22 kV ................................................................................8 1.2.2.4. Sơ đồ nối điện 400Vac .............................................................................8 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................9 CHƯƠNG 2. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN ..................................................................10 2.1. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ ..............................................................................................................................10 2.1.1. Chức năng của hệ thống kích từ [8]..............................................................10 2.1.2. Các thành phần chính của hệ thống kích từ [8] ............................................10 2.1.3. Phân loại hệ thống kích từ [8].......................................................................11 2.1.3.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều ...................................11 2.1.3.2. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều ..................................13 2.1.3.3. Hệ thống kích từ tĩnh ..............................................................................13 2.1.4. Các bộ hạn chế và bảo vệ [8] ........................................................................14 2.1.4.1. Bộ giới hạn kém kích thích ....................................................................14 2.1.4.2. Bộ giới hạn quá kích thích .....................................................................15 2.1.4.3. Bộ giới hạn bảo vệ V/Hz ........................................................................15 2.1.4.4. Mạch diệt từ............................................................................................16 2.1.4.5. Bảo vệ quá điện áp Rotor .......................................................................16 2.1.5. Bộ ổn định hệ thống điện ..............................................................................16 2.2. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN .........................................................................16 2.2.1. Tổng quan hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận .....................16 2.2.2. Thông số chính hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận .............17 2.2.3. Chức năng các thành phần chính của hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận .............................................................................................................18 2.2.3.1. Sơ đồ nguyên lý chung hệ thống kích từ [10] ........................................18 2.2.3.2. Các thiết bị điều khiển chính hệ thống kích từ .......................................20 2.2.4. Chức năng điều khiển chính của hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận ......................................................................................................................23 2.2.4.1. Chức năng kích từ ban đầu .....................................................................23 2.2.4.2. Chức năng điều khiển điện .....................................................................24 2.2.4.3. Chức năng tự động điều khiển điện áp (AVR) .......................................24 2.2.4.4. Chức năng điều khiển điện áp bằng tay (FCR) ......................................31 2.2.5. Các chức năng giám sát hệ thống kích từ .....................................................32 2.2.6. Các chức năng bảo vệ chính hệ thống kích từ ..............................................32 2.2.6.1. Bảo vệ quá điện áp một chiều (DC) .......................................................32 2.2.6.2. Bảo vệ quá điện áp xoay chiều (AC)......................................................33 2.2.6.3. Bảo vệ chạm đất Rotor ...........................................................................34 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................34 CHƯƠNG 3. TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT HÀM THUẬN BẰNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................................................................................35 3.1. TÌM HIỂU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) VÀ CÔNG CỤ GA TRONG PHẦN MỀM MATLAB ............................................................................................35 3.1.1. Giới thiệu giải thuật di truyền (GA) .............................................................35 3.1.2. Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) trong Matlab........................................35 3.1.2.1. Giải thuật di truyền dùng dòng lệnh Command Line .............................36 3.1.2.2. Giải thuật di truyền dùng công cụ Genetic Algorithm Tool ..................36 3.2. ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN ......................................................................................................................38 3.2.1. Mô hình hệ thống kích từ tĩnh ST1A (IEEE 421.5-2005) [14] ....................38 3.2.2. Tính toán các thông số mô hình hệ thống kích từ ........................................39 3.2.2.1. Mô hình hệ thống kích từ tĩnh Unitrol_6800 [12] ..................................39 3.2.2.2. Tính toán thông số mô hình hệ thống kích Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận .................................................................................41 3.2.3. Tối ưu bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 máy phát Thủy điện Hàm Thuận bằng giải thuật di truyền (GA) ................................................................................45 3.2.4. Kiểm định lại tham số bộ điều khiển hệ thống kích từ Unitrol_6800 máy phát Thủy điện Hàm Thuận từ chạy giải thuật di truyền (GA) ..............................51 3.3. ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN ..........52 3.3.1. Đặt vấn đề .....................................................................................................52 3.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng .......................................................................53 3.3.2.1. Mô hình máy phát điện..........................................................................54 3.3.2.2. Mô hình máy biến thế chính ...................................................................54 3.3.2.3. Mô hình bộ điều tốc tua bin thủy điện ...................................................55 3.3.2.4. Mô hình bộ điều khiển kích từ ...............................................................56 3.3.2.5. Mô hình bộ ổn định hệ thống điện PSS4B .............................................57 3.3.2.6. Mô hình tải và bộ tạo sự cố ngắn mạch..................................................58 3.3.3. Kết quả mô phỏng .........................................................................................59 3.3.3.1. Kết quả chạy mô phỏng hệ thống kích từ hiện hữu và hệ thống kích từ tìm được từ giải thuật di truyền (GA) .................................................................59 3.3.3.2. Kết quả chạy mô phỏng hệ thống kích từ khi có bộ ổn định hệ thống điện PSS4B ..........................................................................................................60 3.3.3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng....................................................................62 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................66 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DCL Dao cách ly MBT MNDBT Máy biến thế Mực nước dâng bình thường MNC Mực nước chết TC11 Thanh cái 11 TC19 Thanh cái 19 TC21 Thanh cái 21 TC22 Thanh cái 22 TC41 Thanh cái 41 Thanh cái 43 TC43 AC800PEC Main Controller Device Thiết bị bộ điều khiển chính AI Analog Input Tín hiệu vào tương tự AO Analog Output Tín hiệu ra tương tự AUTO Automatic Voltage Regulator Mode AVR Automatic Voltage Regulator Tự động điều chỉnh điện áp BFCR Backup Field Current Regulator BU Backup Chanel Điều khiển dòng kích từ dự phòng Kênh dự phòng CB Circuit Breaker Máy cắt CCI Converter Control Interface CCM Communication Control Measurement Device CCP Converter Control Panel CCU Converter Control Unit Bộ điều khiển chỉnh lưu CIO Combined Input Output Device Thiết bị kết nối CSI Control Signal Interface EG Cubicle: Converter Giao diện tín hiệu bộ chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu Chế độ điều chỉnh điện áp tự động Giao diện điều khiển bộ chỉnh lưu Thiết bị giao tiếp đo lường điều khiển Bảng điều khiển bộ chỉnh lưu Thiết bị đầu cuối điều khiển ECT Excitation Control Terminal FCB Field Circuit Breaker Máy cắt kích từ FCR Field Current Regulator Điều khiển dòng kích từ FFL Field Flashing Mồi kích từ GCU Gate Control Unit GDI Gate Driver Intreface Bộ điều khiển kích xung Giao diện điều khiển kích GFR Ground Fault Relay GIS Gas Insulation Switchgear I/O Input/Output MANUAL Field Current Regulator Mode MAN MANUAL Mode OEL Overexcitation Limiter Chế độ bằng tay Giới hạn quá kích từ PSU Power Supply Unit Bộ nguồn PSS Power System Stabilizer Ổn định hệ thống điện SCI Snubber Control Interface UEL Underexcitation Limiter Giới hạn kém kích thích V/Hz Volt per Hertz Giới hạn V/Hz hệ thống kích từ xung Rơ le bảo vệ chạm đất Thiết bị đóng cắt kiểu kín cách điện bằng khí SF6 Vào/ra Chế độ điều khiển dòng kích từ Giao diện điều khiển giảm dao động DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Tên hình Trang Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát điện Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ một chiều Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ dùng máy phát phụ Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ tĩnh Sự phối hợp giữa các phần tử thiếu, mất kích từ và giới hạn ổn định Sơ đồ khối hệ thống kích từ Unitrol_6800 Cấu hình phần cứng hệ thống kích từ Unitrol_6800 Nguyên lý kết nối thông tin từ kênh điều khiển đến (CCI) Nguyên lý kích từ ban đầu khi không dùng nguồn phụ một chiều Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển AVR Sơ đồ nguyên lý chức năng thông số đặt bộ AVR Nguyên lý điểm đặt tổng Nguyên lý hàm truyền bộ điều khiển PID Đặc tính bộ điều khiển PID lead_ lag Nguyên lý đặc tính công suất và giới hạn AVR Nguyên lý bộ giới hạn dòng điện kích từ cực tiểu Nguyên lý bộ giới hạn dòng điện Stator Nguyên lý bộ điều khiển công suất Q = 0 Nguyên lý bộ giới hạn dòng điện kích từ cực đại Nguyên lý bộ điều khiển kích từ bằng tay (FCR) Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ quá điện áp DC (Crowbar) Sơ đồ nguyên lý mạch lọc quá điện áp xoay chiều (AC) Mô hình hệ thống kích từ tĩnh ST1A (IEEE 421.5-2005) Mô hình hệ thống kích từ Unitrol_6800 theo tiêu chuẩn (IEEE 421.5-2005) 11 12 13 14 15 18 21 22 23 25 25 26 27 27 28 29 29 30 30 32 33 34 38 Mô hình hệ thống kích từ tĩnh Unitrol_6800 và máy phát đồng bộ Mô hình hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận Chương trình chạy giải thuật (GA) tìm tham số bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 trên Matlab Giản đồ đáp ứng quá độ của hệ thống kích từ Unitrol_6800 sau khi chạy giải thuật (GA) Khoảng cách trung bình giữa các cá thể mỗi thế hệ 40 39 46 48 49 49 Số hiệu 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 Tên hình Trang Biểu đồ phả hệ của cá thể được mã hóa bảng màu Biểu đồ mức độ thích nghi của các cá thể tại giá trị hàm mục tiêu Biểu đồ điểm thích nghi của các cá thể Biểu đồ lựa chọn cha mẹ Biểu đồ các cấp độ dừng tiêu chuẩn Hàm truyền vẽ đáp ứng hệ thống kích từ hiện hữu và sau khi tối ưu bằng giải thuật di truyền (GA) Giản đồ đáp ứng hệ thống kích từ hiện hữu và sau khi tối ưu bằng giải thuật di truyền (GA) Mô hình mô phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận Thông số mô hình máy phát Thủy điện Hàm Thuận trên Matlab Simulink Thông số mô hình máy biến thế chính trên Matlab Simulink Thông số mô hình bộ điều tốc trên Matlab Simulink 50 50 50 50 50 56 3.25 Thông số mô hình bộ kích từ hiện hữu trên Matlab Simulink Thông số mô hình bộ kích từ sau khi tối ưu bằng giải thuật di truyền trên Matlab Simulink Mô hình bộ kích từ trên Matlab Simulink Các thông số và mô hình bộ ổn định PSS4B trên Matlab Simulink Giản đồ điện áp máy phát với bộ tham số hiện hữu, từ giải thuật di truyền (GA) khi sự cố và đóng thêm tải Giản đồ công suất máy phát với bộ tham số hiện hữu, từ giải thuật di truyền (GA) khi sự cố và đóng thêm tải Giản đồ điện áp kích từ với bộ tham số hiện hữu, từ giải thuật di truyền (GA) khi sự cố và đóng thêm tải 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 Giản đồ tốc độ Rotor máy phát khi sự cố và đóng thêm tải Giản đồ góc Rotor máy phát khi sự cố và đóng thêm tải Giản đồ công suất máy phát khi sự cố và đóng thêm tải Giản đồ điện áp kích từ máy phát khi sự cố và đóng thêm tải Giản đồ dòng điện kích từ máy phát khi sự cố và đóng thêm tải Giản đồ điện áp đầu cực máy phát khi sự cố và khi đóng thêm tải 60 60 61 61 61 62 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 51 52 53 54 55 55 57 57 58 59 59 60 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Máy phát điện đồng bộ nói chung đóng một vai trò trọng yếu trong hệ thống điện, nơi mà tính ổn định luôn được đòi hỏi rất cao. Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi một máy phát điện ở các khía cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định tới sự vận hành an toàn và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát điện đó thì sự đóng góp của hệ thống kích từ với khả năng tự động điều chỉnh điện áp máy phát và các thiết bị ổn định khác là không thể thiếu. Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ. Nó phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động dòng kích từ để đảm bảo chế độ làm việc ổn định, kinh tế với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống. Sự mất ổn định của hệ thống điện thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, công suất làm việc của máy phát cần thay đổi theo. Do đó sụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát bị biến thiên lệch khỏi trị số định mức. Nếu không có biện pháp điều chỉnh thì độ lệch sẽ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Nhà máy thủy điện Hàm Thuận nằm trên lưu vực sông La Ngà thuộc hai tỉnh Lâm Đồng và Bình Thuận với tổng công suất lắp đặt 2 tổ máy là 300 MW, sản lượng điện bình quân hàng năm khoảng 1 tỷ KWh, nhà máy áp dụng công nghệ hiện đại và thiết bị tiên tiến, được đấu nối vào hệ thống điện 220 kV Quốc gia. Với công suất lớn được đấu nối vào hệ thống điện Quốc gia nên việc điều khiển và vận hành ổn định các máy phát điện Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận đồng thời cũng góp phần vận hành ổn định hệ thống điện, trong đó phải nói đến hệ thống kích từ điều khiển máy phát điện. Hệ thống kích từ điều khiển máy phát tại Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận là dòng kích từ tĩnh Unitrol_6800 của hãng ABB, được sử dụng để điều chỉnh điện áp trong các hệ thống kích từ tĩnh của máy phát đồng bộ. Sản phẩm này là dòng thứ 6 trong dòng UNITROL của hãng ABB và được xây dựng trên nền tảng của các sản phẩm trước nó. Với mục đích nghiên cứu giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ và mô phỏng đánh giá chức năng tự động điều khiển điện áp đầu cực máy phát (AVR) có kết hợp với bộ ổn định hệ thống điện (PSS) đã được sử dụng cho mục đích này. Vì vậy tôi chọn đề tài luận văn “Mô phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát tại nhà máy thủy điện Hàm Thuận” làm đề tài nghiên cứu. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống kích từ Unitrol_6800 của hãng ABB điều khiển máy phát Thủy điện tại Nhà máy Hàm Thuận. 2 2.2. Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu các thiết bị chính Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận. Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống kích từ, các loại hệ thống kích từ, các chức năng điều khiển và bảo vệ của các loại hệ thống kích từ điều khiển máy phát điện đồng bộ. Tìm hiểu nguyên lý, các chế độ làm việc của hệ thống kích từ, các chức năng điều khiển và bảo vệ của hệ thống kích từ Unitrol_6800 tại Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận. Nghiên cứu giải thuật di truyền (GA) bằng công cụ Genetic Algorithm Tool trong Matlab để tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận. Mô phỏng đánh giá kết quả chế độ điều khiển điện áp tự động (AVR) kết hợp với chức năng ổn định hệ thống điện PSS4B. 3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiếu nguyên lý làm việc của hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận. Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận. Mô phỏng chức năng điều khiển điện áp tự động (AVR) có kết hợp với bộ ổn định hệ thống điện PSS4B tại Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng kiểm chứng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) trong tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận giúp hệ thống làm việc ổn định và tin cậy. Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận ở chế độ điều khiển điện áp tự động (AVR) kết hợp với chức năng ổn định hệ thống PSS4B, từ kết quả đạt được xem xét đề xuất lựa chọn bộ ổn định PSS4B để hệ thống vận hành ổn định và tin cậy hơn. 6. Cấu trúc luận văn: Ngoài các phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện Hàm Thuận. Chương 2: Tìm hiểu hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận. Chương 3: Tối ưu bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận bằng giải thuật di truyền và mô phỏng đánh giá kết quả. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN 1.1. GIỚI THIỆU CÔNG TY CỔ PHẦN THỦY ĐIỆN ĐA NHIM – HÀM THUẬN – ĐA MI Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi tiền thân là Nhà máy Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi được thành lập vào ngày 21/5/2001 trên cơ sở sáp nhập 2 cụm Nhà máy Thủy điện Đa Nhim - Sông Pha và Hàm Thuận - Đa Mi. Công ty đang quản lý vận hành 4 nhà máy thủy điện: Đa Nhim, Sông Pha, Hàm Thuận và Đa Mi gồm 13 tổ máy, với tổng công suất lắp đặt là 642,5MW, điện lượng bình quân hàng năm khoảng 2,576 tỷ kWh. Nhà máy Thủy điện Đa Nhim được khởi công từ năm 1961 và hoàn thành năm 1964 gồm 4 tổ máy với tổng công suất 4 x 40 = 160 (MW). Nhà máy Thủy điện Sông Pha được Công ty Điện lực 2 (nay là Tổng Công ty Điện lực Miền Nam) khởi công năm 1991 và đưa vào hoạt động từ năm 1994, lắp đặt 5 tổ máy có tổng công suất 7,5 (MW). Năm 2001, Tổng Công ty Điện lực Việt Nam giao nhiệm vụ cho Nhà máy Thủy điện Đa Nhim tiếp quản và đưa vào vận hành Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận gồm 2 tổ máy với công suất lắp đặt là 2 x 150 = 300 (MW) và Nhà máy Thủy điện Đa Mi gồm 2 tổ máy với công suất lắp đặt là 2 x 87,5 = 175 (MW), tại Bình Thuận và đổi tên thành Nhà máy Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi. 1.2. TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN 1.2.1. Thông số tuyến năng lượng 1.2.1.1. Hồ chứa Hồ Hàm Thuận được hình thành dọc theo sông La Ngà và phụ lưu sông Đa Tro. Chiều dài của hồ khoảng 9 km dọc theo sông La Ngà và 5 km dọc theo suối Đa Tro. Lưu vực hồ Hàm Thuận là 1.280 km2. Các thông số chính của hồ: Mực nước dâng bình thường MNDBT: 605 m Mực nước chết MNC: 575 m Dung tích toàn bộ: 695,2 triệu m3 Dung tích hữu ích: 522,5 triệu m3 Diện tích mặt thoáng ở MNDBT: 25,2 km2 Mực nước lũ thực tế (0,1%): 606,4 m Mực nước lũ (0,05%): 607,3 m 1.2.1.2. Đập chính Đập chính là loại đập đá đổ, có lõi giữa chống thấm có các đặc trưng sau: Chiều cao đập lớn nhất: 93,5 m Chiều dài theo đỉnh: 580 m 4 Cao trình đỉnh đập: 609,5 m 1.2.1.3. Đập tràn  Các thông số chính của đập tràn Kênh dẫn vào: Mặt cắt hình thang, chiều rộng đáy là 74 m, dài 125 m. Cửa tràn là loại cửa cung, rộng 11m, cao 11,5 m. Ngưỡng tràn: Bằng bê tông, cao trình đỉnh 594 m. Dốc nước bằng bê tông, rộng 65 m, dài 86 m, tường cao 7 m, tiêu năng bằng mũi phóng. Kênh xả rộng 30 m, nền là đá sừng.  Thiết bị ở đập tràn Mục đích của thiết bị ở đập tràn là kiểm soát mực nước hồ chứa khi có lũ và duy trì chức năng của cửa van. Cửa sửa chữa Cửa sửa chữa được sử dụng để sửa chữa cửa van. Cửa sửa chữa phân thành các đoạn. Các thông số chính của cửa: Kiểu: Cửa trượt bằng thép Số lượng: 1 bộ Nhịp: 11 m Chiều cao cửa: 12,8 m Cột nước tĩnh thiết kế: 12,5 m Cao trình ngưỡng: 592,5 m Điều kiện vận hành: Cột nước cân bằng hoàn toàn Thiết bị vận hành: Cần trục tự hành Khung thép dẫn hướng: 5 bộ Cửa van và máy nâng ở đập tràn Cửa van ở đập tràn dùng để điều tiết lưu lượng ở đập, để giữ mực nước và đảm bảo nhu cầu nước hàng ngày cho việc phát điện phù hợp với điều kiện dòng chảy và để xả lượng nước thừa trong mùa lũ. Cửa được nâng hạ bằng hệ thống tời điện. Các thông số thiết bị chính của cửa van và máy nâng: Số lượng (cửa van, khung dẫn hướng, máy nâng): 5 bộ Kiểu: Cửa cung Nhịp: 11 m Chiều cao cửa: 11,6 m Cột nước tĩnh thiết kế 11,1 m Cao trình ngưỡng: 593,9 m Thiết bị vận hành (tốc độ nâng hạ là 0,5 m/ph): Tời điện Nguồn cấp điện là nguồn xoay chiều. 1.2.1.4. Đập phụ  Các thông số chính của các đập phụ: 5 Đập phụ No.1 No.2 No.3 No.4 Chiều cao đập 158 36 43 46 Chiều dài đập 222 232 140 110 1.2.1.5. Cửa lấy nước Trong một công trình Thủy điện, chức năng của thiết bị ở cửa nhận nước là cung cấp nước vào đường hầm dẫn nước và để ngưng cung cấp nước khi cần tiến hành công việc kiểm tra và bảo dưỡng kết cấu tuyến năng lượng.  Lưới chắn rác Lưới chắn rác được lắp đặt ở đầu vào của cửa nhận nước phía trước cửa van để giữ lại các vật trôi vào gây nguy hiểm cho đường dẫn. Các thông số chính của lưới chắn rác: Số lượng: 2 bộ (lưới và khung dẫn hướng) Kiểu: Lưới thép dạng thẳng đứng và tháo lắp được Nhịp: 7m Chiều cao: 12 m Cột nước thiết kế: 3 m (độ chênh cột nước ở 2 phía) Điều kiện vận hành: Cột nước cân bằng hoàn toàn Thiết bị vận hành: Cần trục chân dê Dự phòng: 1 bộ  Cửa sửa chữa Cửa sửa chữa được lắp đặt để tiến hành kiểm tra và bảo dưỡng cửa van. Các thông số chính của cửa sửa chữa: Số lượng: 1 bộ Kiểu cửa sửa chữa: Cửa bằng thép dạng trượt thẳng đứng Nhịp: 7m Chiều cao: 7m Cột nước tĩnh thiết kế: 45 m Cao trình ngưỡng: 560 m Điều kiện vận hành: Cột nước cân bằng hoàn toàn Thiết bị vận hành: Cần trục chân dê  Cửa van Kiểu cửa van lắp đặt tại cửa nhận nước là cửa bánh xe để cửa van có khả năng đóng mở trong dòng chảy. Gioăng kín nước được lắp đặt ở mặt sau cửa van do đóng cửa dưới áp lực cột nước cao. Các thông số thiết kế chính của cửa van: Số lượng: 1 bộ (cửa và khung dẫn hướng) Kiểu cửa: Cửa thép kiểu bánh xe Nhịp cửa: 7m Chiều cao cửa: 7m 6 Cột nước tĩnh thiết kế: 45 m Cao trình ngưỡng: 560 m Điều kiện vận hành: Mở: Cột nước cân bằng hoàn toàn Đóng: Trong dòng chảy Thiết bị vận hành: Cần trục chân dê 1.2.1.6. Đường hầm và tháp điều áp  Đường hầm Đường hầm dẫn nước có tổng chiều dài 2.536 m. Chiều dày đất đá trên hầm từ 60÷200 m. Đường hầm được đào trong đá Granite và Granodiorite. Đường hầm có tiết diện tròn, đường kính 7 m và vỏ bọc bê tông cốt thép.  Tháp điều áp Tháp điều áp là loại đơn giản. Dao động mực nước khi phụ tải thay đổi xảy ra chậm và qúa trình tăng áp lực trong hầm cũng xảy ra chậm nên giảm được áp lực nước va từ từ, như vậy thì thuận lợi cho vận hành Tua bin. 1.2.1.7. Đường ống áp lực Đường ống dùng để dẫn nước đến tuabin. Khoảng cách từ tâm tua bin về phía thượng lưu tới điểm đường ống phân nhánh là 52,8 m. Tổng chiều dài đường ống là 1.013,7 m tính từ phía sau tháp điều áp 20 m đến cửa van của nhà máy. Các thông số chính của đường ống thép như sau: Số tuyến: 1 Kiểu đường ống: Kiểu ngầm Kiểu ống phân nhánh: Escher Wyss Đường kính: 7m – 5,4m – 4,8m – 2,8 m Chiều dài: 1013,7 m Cột nước tĩnh thiết kế: 288,5 m 1.2.1.8. Thiết bị hạ lưu  Thiết bị ở hạ lưu Kênh xả ở cao độ 320 m nối nhà máy Hàm Thuận với hồ Đa Mi. Cửa van được lắp đặt giữa ống xả và kênh xả để tiến hành công việc kiểm tra và bảo dưỡng Tua bin.  Cửa van Các thông số của cửa van: Số lượng: Cửa: 2 bộ Khung dẫn hướng: 4 bộ Kiểu cửa: Cửa thép kiểu trượt Nhịp cửa: 3,75 m Chiều cao cửa: 2,8 m 7 Cột nước tĩnh thiết kế: 14 m Cao trình ngưỡng: 311 m Thiết bị vận hành: Palăng điện di động (tốc độ nâng 1 m/phút) Điều kiện vận hành: Cột nước cân bằn hoàn toàn  Palăng điện Palăng điện được dùng làm thiết bị nâng hạ cửa van ở hai ống. Các thông số chính của palăng: Số lượng: 1 bộ Kiểu: Di động, điều khiển bằng điện Trọng tải: 20 tấn 1.2.2. Các sơ đồ nối điện chính nhà máy 1.2.2.1. Sơ đồ nối điện 220 kV Sơ đồ nối điện 220 kV nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (1) và phụ lục (2). Sơ đồ trạm 220 kV Nhà máy Hàm thuận là sơ đồ hệ thống 2 thanh cái làm việc song song được liên kết với nhau thông qua máy cắt kết giàn 200. Các mạch nguồn và phụ tải được phân bố đều cả 2 thanh cái: Mạch nguồn và phụ tải lẻ được kết nối với thanh cái lẻ (TC21), mạch nguồn và phụ tải chẵn được kết nối với thanh cái chẳn (TC22), bao gồm 4 mạch đường dây: - Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Đa Mi được kết nối với Trạm Nhà máy Đa Mi thông qua máy cắt 271. - Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Long Thành được kết nối với Trạm Long Thành thông qua máy cắt 272. Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Phan Thiết được kết nối với Trạm Phan Thiết thông qua máy cắt 273. - Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Bảo lộc được kết nối với Trạm Bảo Lộc thông qua máy cắt 274. Sơ đồ hệ thống 220 kV vận hành có những ưu điểm sau: - Vận hành hai thanh cái song song nên đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao. - Có thể sửa chữa, kiểm tra từng hệ thống thanh cái mà vẫn đảm bảo cho các mạch làm việc. - Mỗi mạch đường dây có DCL đường vòng được nối cố định với (TC21), dùng kết hợp với máy cắt kết giàn 200 để thay thế hay sửa chữa một máy cắt hoặc DCL phát tuyến mà mạch đường dây vẫn làm việc bình thường. - Dễ triển khai phát triển thêm phụ tải trong tương lai. 1.2.2.2. Sơ đồ nối điện 110 kV Sơ đồ nối điện 110 kV nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (3). Sơ đồ trạm 110 kV Nhà máy Hàm thuận là sơ đồ hệ thống 1 thanh cái có thanh cái vòng. Bình thường thanh cái (TC11) làm việc chính. Thanh cái (TC19) là thanh cái vòng không mang điện, máy cắt 100B và DCL hai đầu 100B-1 và 100B-2 mở. 8 Bao gồm 3 phát tuyến được nối cố định với thanh cái (TC11) cấp nguồn cho trạm Phan Thiết và Đức Linh, mỗi mạch đường dây có 1 DCL đường vòng được nối cố định với (TC19), đồng thời kết hợp với máy cắt vòng 100B dùng để thay thế, sửa chữa một máy cắt hay DCL của 1 phát tuyến, lúc đó mạch bảo vệ đường dây được chuyển về máy cắt 100B bảo vệ. Nguồn cho hệ thống 110 kV được lấy từ MBT 3T (220/110/22 kV) được kết nối với trạm GIS thông qua hai ngăn máy cắt 233 và 133, cấp điện cho 3 phát tuyến 110 kV là: - Mạch 110 kV Hàm Thuận – Phan Thiết 1 được kết nối với trạm Phan Thiết qua máy cắt 171. - Mạch 110 kV Hàm Thuận – Phan Thiết 2 được kết nối với trạm Phan Thiết qua máy cắt 172. - Mạch 110 kV Hàm Thuận – Mạch Đức Linh được kết nối với trạm Đức Linh qua máy cắt 173. 1.2.2.3. Sơ đồ nối điện 22 kV Sơ đồ nối điện 22 kV nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (4). Nguồn cung cấp cho trạm 22 kV Nhà máy Hàm Thuận được cấp từ cuộn 22 kV hạ áp của MBT 3T qua DCL 433-1 cấp cho thanh cái (TC41), qua máy cắt 411 cấp cho thanh cái (TC43). Thanh cái (TC41) là sơ đồ thanh cái có DCL phân đoạn 400-1. Cấp nguồn tự dùng cho tổ máy H1 thông qua MBT 7T bằng máy cắt 435, cho tổ máy H2 thông qua MBT 8T bằng máy cắt 436. Thanh cái (TC43) có 2 mạch phụ tải đi từ máy cắt 471 và 472. Mạch phát tuyến 471 cung cấp tự dùng cho nhà máy Đa Mi và cửa nhận nước Đa Mi thông qua máy cắt 471 và DCL 471. Mạch phát tuyến 472 cấp điện cho các biến thế 1 pha và trạm Lòng Hồ, từ đó qua tuyến 471 trạm Lòng Hồ cấp điện cho cửa nhận nước và đập tràn Hàm Thuận thông qua máy cắt 472 và DCL 472. Ngoài ra còn cấp nguồn cho MBT tạo trung tính nối đất 9T dùng cho bảo vệ chạm đất trong vùng từ nhà máy ra trạm 9T và phát tuyến 471,472. Tạo trung tính cho các MBT một pha dọc theo các tuyến 471, 472. 1.2.2.4. Sơ đồ nối điện 400Vac Sơ đồ nối điện 400 Vac nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (5). Nguồn tự dùng nhà máy được cấp từ 4 máy biến thế tự dùng nhằm tạo độ tin cậy cao cho vận hành. Gồm 2 máy biến thế 5T và 6T nối vào đầu cực 2 tổ máy và 2 máy biến thế 7T và 8T nối vào cuộn 22 kV của máy biến thế tự ngẫu 3T (220/110/22 kV). Cuộn 22 kV còn được cung cấp nguồn cho cho trạm 22 kV Nhà máy Hàm Thuận để cấp cho các phụ tải như: Đập Hàm Thuận, Đập Đa Mi và Nhà máy Đa Mi. 9 - Nguồn tự dùng của tổ máy 1 được lấy từ máy biến thế 5T (13,8/0,4 kV) qua máy cắt 452-HS.5T hay máy biến thế 7T (22/0,4 kV) qua máy cắt 452 – HS.7T và được liên hệ với nhau qua máy cắt 452 – 1C với các dao cách ly 489 HS.5T, 489 HS.5TE, 489 HS.7T. - Nguồn tự dùng tổ máy H2 được lấy từ máy biến thế chính 6T (13,8/0,4 kV) qua máy cắt 452 – HS.6T hay máy biến thế 8T (22/0,4 kV) và được liên hệ với nhau qua máy cắt 452 -2C với các dao cách ly 489 HS.6T, 489 HS.6TE, 489 HS.8T. 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương 1 đã giới thiệu tổng quát về Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận – Đa Mi, các công trình chính về Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận và các sơ đồ nối điện chính của Nhà máy cũng như các ưu khuyết điểm của sơ đồ nối điện trong Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận. 10 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN 2.1. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1.1. Chức năng của hệ thống kích từ [8] Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp ứng công suất phản kháng cho hệ thống qua sự điều khiển điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá các giới hạn. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi “cho phép liên tục”. Các yêu cầu này có thể hình dung từ đường cong hình V của máy phát. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp,… cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích từ biến thiên từ 2 ÷ 3,5 kW/MVA của định mức máy phát. Ngoài ra hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của máy phát ở đây xem như giới hạn bởi các yếu tố: Hư cách điện Rotor ở điện áp kích từ cao, nóng Rotor ở dòng kích từ lớn, nóng Stator do dòng tải phần ứng lớn, lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt do mật độ từ trường cao (V/Hz). Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian, khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ 15 ÷ 60 giây. Để đảm bảo sự sử dụng tốt của hệ thống kích từ, cần thiết biết đầy đủ khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miển không vượt quá giới hạn cho phép. Hệ thống kích từ sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh. 2.1.2. Các thành phần chính của hệ thống kích từ [8] Sơ đồ khối của một hệ thống kích từ tiêu biểu thể hiện hình (2.1)  Bộ kích từ: Bộ kích từ có chức năng cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ, tạo nên công suất của hệ thống.  Bộ điều chỉnh điện áp (AVR): Xử lý và khuếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào là điện áp đầu cực máy phát để tạo ra cách thức thích hợp nhằm điều khiển bộ kích từ. Nó bao gồm cả việc điều chỉnh và chức năng ổn định hệ thống kích từ (mạng hồi tiếp hoặc bù sớm – trễ pha).