Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống kích từ có xét đến bộ ổn định công suất pss đến ổn định của hệ thống điện

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật .. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đào Duy Yên DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ký hiệu, chữ viết tắt Biểu diễn Ghi chú tiếng anh V Điện áp Voltage PSS Bộ ổn định công suất Power Sýtem Stabilizer AVR Tự động điều chỉnh điện áp Automatic Voltage Regulator HTĐ Hệ thống điện Power Sytem CSTD Công suất tác dụng Active Power CSPK Công suất phản kháng Reactive Power SSG Máy phát đồng bộ tĩnh Static synchronours Generator UEL Khối giới hạn thiếu kích từ Under Excitation Limit OEL Khối giới hạn quá kích từ Over Excitation Limit HVG Cổng chọn giá trị cao Hight Value Gate LVG Cổng chọn giá trị thấp Low Value Gate DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Hình 1.1 Tên hình vẽ Máy phát đồng bộ kết nối với lưới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 22 http://www.lrc-tnu.e 2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 1.2 Đồ thị véc tơ máy phát nối lưới 23 Hình 1.3 Trạng thái ổn định tức thời 24 Hình 1.4 Ảnh hưởng của tác động nhanh đến hệ thống kích từ 25 Hình 1.5 Dao động máy phát làm việc song song 26 Hình 1.6 Dao động cục bộ 27 Hình 1.7 Dao động liên khu vực 27 Hình 2.1 Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực lồi ở tải có tính cảm và có tính dung 34 Hình 2.2 Đồ thị sức điện động của máy phát điện cực ẩn ở tải có tính cảm và có tính dung 35 Hình 2.3 Đồ thị đặc tính góc công suất tác dụng P=f(δ) của máy phát cực ẩn và máy phát cực lồi 36 Hình 2.4 Đặc tính góc CSPK của máy phát điện cực lồi 37 Hình 2.5 CSTD và công suất chỉnh bộ của máy phát điện đồng bộ cực lồi 38 Hình 2.6 Điều chỉnh CSPK của máy phát điện đồng bộ 40 Hình 2.7 Họ đặc tính hình V của máy phát điện đồng bộ 41 Hình 2.8 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ 44 Hình 2.9 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ 45 Hình 2.10 Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng bộ 45 Hình 2.11 Đặc tính tải của máy phát điện đồng bộ 46 Hình 2.12 Đặc tính ngắn mạch của máy phát điện đồng bộ 46 Hình 2.13 Hệ trục tọa độ dq 49 Hình 3.1 Hệ thống kích từ bằng máy phát điện một chiều 59 Hình 3.2 Hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay chiều tần số 61 Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay chiều 61 Hình 3.4 Hệ thống kích từ tĩnh 62 Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống kích từ tĩnh 62 Hình 3.6 Bộ ổn định công suất dựa vào tín hiệu PSS1A 64 Hình 3.7 Sơ đồ khối bộ ổn định công suất PSS2A 66 Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ ổn định công suất PSS2B 67 Hình 3.9 Mô tả PSS2A và PSS2B kết nối với hệ thống tuabin – máy phát 67 Hình 3.10 Sơ đồ khối của bộ ổn định công suất PSS3B 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 3 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 3.11 Sơ đồ khối bộ ổn định công suất PSS4B 68 Hình 3.12 Khâu lọc cao tần 69 Hình 3.13 Khâu lọc cao tần và quán tính bậc 1 69 Hình 3.14 Bộ lọc các thành phần xoắn 70 Hình 3.15 Khâu khuyếch đại và bù pha 71 Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp và ổn định công suất máy phát đồng bộ 71 Hình 3.17 Đồ thị véc tơ biểu diễn ổn định công suất khi co PSS 72 Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng hệ thống trong Matlab - Simulink 73 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI HỆ THỐNG KÍCH TỪ DÙNG MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU Hình 3.19 Điện áp đầu cực máy phát 75 Hình 3.20 Đáp ứng điện áp kích từ có PSS và không có PSS 75 Hình 3.21 Sai lệch góc roto 76 Hình 3.22 Công suất máy phát 76 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI HỆ THỐNG KÍCH TỪ TĨNH Hình 3.23 Điện áp đầu cực máy phát 78 Hình 3.24 Đáp ứng điện áp kích từ có PSS và không có PSS 78 Hình 3.25 Sai lệch góc roto 79 Hình 3.26 Công suất máy phát 79 MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bì a Lời cam đoan Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục hì nh vẽ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 4 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Mục lục Lời nói đầu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH 10 CÔNG SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Ổn định Hệ thống điện 10 1.1.Chế độ của Hệ thống điện. 10 1.1.1.Hệ thống điện (HTĐ). 10 1.1.2. Chế độ của HTĐ. 10 1.1.3. Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ. 11 1.2. Khái niệm Ổn định HTĐ. 12 1.2.1. Cân bằng công suất. 12 1.2.2. Định nghĩa Ổn định HTĐ. 14 1.2.3. Các dạng mất ổn định. 17 1.3. Hệ thống kích từ máy phát 18 1.3.1. Khái niệm chung 18 1.3.2. Thành phần của hệ thống kích từ 19 1.3.3. Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát 19 1.3.4. Bộ chỉnh lưu kích từ thyristor 21 1.3.5. Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ 21 1.4. Hệ thống ổn định công suất 22 1.4.1. Trạng thái ổn định 22 1.4.2. Trạng thái ổn định tức thời 23 1.4.3. Tác động của hệ thống kích từ đối với sự ổn định 25 1.4.4. ổn định các tín hiệu nhỏ 26 1.4.5. Bộ ổn định công suất (PSS) 28 1.4.6. Triệt tiêu các dao động cơ điện 29 1.4.7. Nguyên lý hoạt động của bộ ổn định công suất (PSS) 30 1.4.8. Kết luận chương I 30 CHƢƠNG 2: MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 5 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2.1. Máy phát điện đồng bộ 31 2.1.1. Giới thiệu chung 31 2.1.2. Nguyên lý làm việc của máy phát đồng bộ 31 2.1.3. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ 32 2.1.4. Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ 33 2.1.5. Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ 35 2.1.6. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng 37 2.1.7. Các đặc tính của máy phát đồng bộ 43 2.2. Mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ 47 2.2.1. Phương trình máy điện ở hệ trục ba pha 47 2.2.2. Phương trình máy điện đồng bộ viết ở hệ trục vuông góc 48 2.2.3. Phương trình vi phân máy phát đồng bộ 55 2.2.4. Phương trình máy điện đồng bộ viết ở đại lượng tương đối 55 2.3. Kết luận chương II 58 CHƢƠNG 3: CẤU CHÚC HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH 59 CÔNG SUẤT 3.1. Các phương pháp kích từ cho máy phát 59 3.1.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều 59 3.1.2. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao. 60 3.1.3. Hệ thống kích từ tĩnh ( Static Exciter ) 62 3.1.4. Phương án ứng dụng hệ thống kích từ cho máy phát đồng bộ 63 3.2. Phân loại các bộ ổn định công suất 64 3.2.1. Các bộ ổn định dựa trên tốc độ 64 3.2.2. Các bộ phận ổn định đầu vào kép 65 1. Bộ ổn định đầu vào kép PSS2A 66 2. Bộ ổn định đầu vào kép PSS2B 67 3. Bộ ổn định đầu vào kép PSS3B 67 4. Bộ ổn định đầu vào kép PSS4B 68 3.2.3. Lựa chọn bộ ổn định công suất 68 3.2.4. Phân tích các thành phần trong mô hình PSS2A 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 6 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3.3. Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát (có PSS) 71 3.4. Mô phỏng hệ thống 73 3.4.1. Cấu hình hệ thống mô phỏng 73 3.4.2. Thông số các phần tử chính 73 3.4.3. Kết quả mô phỏng 74 3.4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống kích từ tĩnh 75 3.4.5. Kết quả mô phỏng hệ thống kích từ dung máy phát điện xoay chiều 78 3.5. Nhận xét kết quả mô phỏng 80 3.6. Kết luận chương III 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu sử dụng điện của nước ta tăng trưởng không ngừng.Vì vậy sự phát triển nhảy vọt về công suất của hệ thống điện Việt Nam đã làm tăng yêu cầu cấp thiết phải đi sâu nghiên cứu đặc tính ổn định. Sự mất ổn định của HTĐ thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, công suất làm việc của máy phát cần thay đổi theo. Do có sụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát bị biến thiên, lệch khỏi trị số định mức.Nếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 7 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật không có biện pháp điều chỉnh, độ lệch sẽ rất đáng kể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống, bộ ổn định công suất (PSS) đã được sử dụng cho mục đích này. Vì vậy tôi chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của Hệ thống kích từ có xét đến bộ ổn định công suất – PSS đến ổn định của Hệ thống điện” Trong phạm vi đề tài này sẽ đi giải quyết 2 vấn đề đó là: - Khảo sát, đánh giá khả năng, phạm vi ứng dụng của các loại hệ thống kích từ ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, công suất của máy phát. Dựa trên cơ sở phân tích kinh tế, kỹ thuật của các phương án để lựa chọn loại hệ thống kích từ tối ưu nhất - Nghiên cứu cấu trúc, mô hình PSS trong HTĐ. Các hiệu quả và khả năng ứng dụng của chúng Trong quá trình hoàn thành luận văn tôi đã có được sự giúp đỡ và chỉ dẫn rất tận tình của các thầy, cô giáo. Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển và các thầy các cô khoa sau đại học, khoa điện và khoa điện tử - Trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên . Đã giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này. Tuy vậy với kinh nghiệm và trình độ thực tế của tôi còn bị hạn chế nên trong quá trình thiết kế tôi không tránh khỏi những thiếu sót. Nên bản luận văn của tôi vẫn còn có chỗ chưa được hoàn thiện. Tôi rất mong được sự chỉ dẫn chân thành của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn của tôi đạt chất lượng tốt. Tôi xin chân thành cám ơn! Thái nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2011 Tác giả luận văn Đào Duy Yên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 8 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chƣơng I TỔNG QUAN HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1. Ổn định Hệ thống điện 1.1. Chế độ của Hệ thống điện. 1.1.1 Hệ thống điện (HTĐ). HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm: - Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như MF, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 9 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện… Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích… Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ. Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số… như là X, Y, độ từ hoá… trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của MF, MBA trong các bài toán ổn định. 1.1.2. Chế độ của HTĐ. Tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của HTĐ. Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, … tại mọi điểm của HTĐ. Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc. Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ. Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối qua hệ này có dạng phi tuyến. Ví dụ P = U2/R. Đó là dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ, dạng phi tuyến này không thể bỏ qua trong các bài toán điện lực. Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại: a. Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông số này là hằng số. Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 10 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng. CĐXL được chia thành: + CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ. + CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố. + Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì… b. Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhều. Chế độ quá độ gồm có: + Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác. + Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố. 1.1.3. Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ. a. CĐXL bình thường, các yêu cầu là: - Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn. - Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được CCĐ liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ. - Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất. - Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện. b. CĐXL sau sự cố, yêu cầu là: Các yêu cầu mục a được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này để về CĐXL bình thường. c. Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là: - Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 11 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch… - Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ. 1.2. Khái niệm Ổn định HTĐ. 1.2.1. Cân bằng công suất. Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ. PF  Ppt  P  P (1.1) Q F  Q pt  Q  Q (1.2) Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ: S2  P 2  Q 2 (1.3) Cho nên các điều kiện cân bằng công suất (1.1) và (1.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng. Tuy vậy trong thực tế tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi của CSTD và CSPK tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là: - Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD. - Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của HTĐ. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK. Trong khi vận hành HTĐ các điều kiện cân bằng công suất (1.1) và (1.2) được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thoả mãn. Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn lên lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 12 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật đóng thêm một phụ tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên sự điều chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép. Các điều kiện cân bằng công suất (1.1) và (1.2) và (1.3) là các cơ sở xuất phát để tính toán các chế độ của HTĐ. Từ các điều kiện ấy ta tính được các thông số của chế độ U, I, P, Q… Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và HTĐ, quy định các giá trị cân bằng cho CSTD và CSPK như sau: - Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép: f cp min  f  f cp max . - Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong giới hạn cho phép: U cp min  U  U cp max . Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân bằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng. Sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống. Vì ở tất cả các điểm trên hệ thống tần số luôn có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó. Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chất cục bộ thừa chỗ này thiếu chỗ khác. Việc điều chỉnh CSPK phức tạp không thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống được. Trong HTĐ, máy phát điện (MF) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto của các MF đóng vai trò quan trọng quyết định sự tồn tại của CĐXL. Đây là sự cân bằng Cơ-Điện, nghĩa là sự cân bằng giữa công suất cơ học của tuabin PT B và công suất điện PMF do MF phát ra: PT B  PMF . Như trên đã nói, sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc tác động lên MF và gây ra sự mất cân bằng cơ điện ở đây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 13 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Đối với CSPK sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng hơn cả. Còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện công suất điện của lưới PPT và công suất cơ PC của các máy công cụ: PC  PPT . 1.2.2. Định nghĩa Ổn định HTĐ. Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một CĐXL tồn tại trong thực tế. Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các kích động từ bên ngoài. Một chế độ thoả mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá huỷ. Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn. c. Ổn định tĩnh. Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của thiết bị điều chỉnh… Các kích động này tác động lên roto của MF, phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho CĐXL tương ứng bị dao động. CĐXL muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh. Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh: Ổn định tĩnh là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một CĐXL tồn tại trong thực tế. b. Ổn định động. Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch… Các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của HTĐ chịu được các kích động này mà CĐXL không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của HTĐ. Ta có định nghĩa ổn định động: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 14 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ổn định động là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn. Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của HTĐ tồn tại lâu dài. c. Ổn định tổng quát. Khi một chế độ nào đó của HTĐ chịu các kích động nhỏ hoặc lớn, nếu HTĐ có ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng CSTD ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ vững. Trong quá trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số được xem như không thay đổi. Vì vậy đặc trưng quá trình dao động rotor của MF khi chưa mất ổn định là tốc độ góc của chúng vẫn giữ giá trị đồng bộ   0 (0  2f  2.3,14.50  314rad / s) chế độ vẫn là chế độ đồng bộ. Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá huỷ, tốc độ góc của roto bị lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượt s. s Trong đó:   0 0 +  là tốc độ góc tức thời của các MF. + 0 là tốc độ đồng bộ. Khi đó HTĐ rơi vào chế độ không đồng bộ, công suất và các thông số khác của chế độ dao động rất mạnh với biên độ lớn. Chế độ không đồng bộ kéo dài sẽ dẫn đến: - Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các MF bị cắt khỏi lưới và ngừng làm việc. - Chế độ đồng bộ lại được khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn định tổng quát. Ta có, định nghĩa ổn định tổng quát: Ổn định tổng quát là khả năng của HTĐ lập lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động. d. Ổn định điện áp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 15 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi. Sự biến đổi điện áp này có thể làm cho cân bằng CSTD và CSPK bị phá hoại dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ ngừng làm việc. Khả năng của HTĐ chịu được các kích động này mà chế độ làm việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn định điện áp. Ta có, định nghĩa ổn định điện áp (ổn định phụ tải): Ổn định phụ tải là khả năng của HTĐ khôi phục lại điện áp ban đầu hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải. 1.2.3. Các dạng mất ổn định. Có 2 dạng mất ổn định: - Mất ổn định tiệm cận. - Mất ổn định dao động, gồm 2 loại: + Tự dao động tăng dần. + Tự kích thích. d. Mất ổn định tiệm cận. Khi công suất phát của nhà máy điện lên hệ thống qua đường dây dài vượt quá giới hạn ổn định tĩnh thể hiện bằng Pgh hay góc gh (góc giữa vector sức điện động của máy phát và điện áp trên thanh góp của hệ thống nhận điện) thì hệ thống mất ổn định tĩnh và góc  tăng lên. HTĐ rơi vào chế độ không đồng bộ, các thông số chế độ biến đổi mạnh vượt ra ngoài phạm vi cho phép, các MF bị cắt khỏi lưới vận hành làm cho HTĐ tan rã. Để đối phó với dạng mất ổn định này phải thiết kế hệ thống có Pgh cao hơn công suất cần phát của nhà máy điện. b. Mất ổn định dao động, có 2 dạng: - Tự dao động tăng dần: nguyên nhân chính có thể xảy ra là không chỉnh định đúng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (TĐK), góc  vừa dao động vừa tăng lên. Để hạn chế tự dao động tăng dần phải chỉnh định đúng TĐK loại tỷ lệ. Khi đường dây dài tải công suất lớn thì nên dùng TĐK loại mạnh có khả năng hạn chế nguy cơ tự dao động tăng dần cao hơn so với TĐK loại tỷ lệ. - Tự kích là hiện tượng dòng điện kích từ và dòng điện máy phát tự tăng lên kéo theo sự biến đổi của điện áp máy phát. Tự kích hay xảy ra trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 16 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật trường hợp máy phát làm việc với đường dây dài không tải. Điện dung của đường dây (do điện dung lớn hơn điện kháng nên đường dây thể hiện với máy phát như một tụ điện) tạo với điện kháng, điện trở máy phát mạch dao động R, L, C có tần số riêng r . Trong những điều kiện nhất định, năng lượng của roto truyền sang làm cho mạch này dao động, nếu tần số riêng r gần bằng tần số của máy phát sẽ gây ra cộng hưởng và làm cho dòng điện và điện áp máy phát tăng lên. Để tránh hiện tượng này khi thiết kế đường dây dài phải chú ý khi chọn và hiệu chỉnh thông số của đường dây. Nói chung thì sau khi thiết kế và chỉnh định đúng hệ thống với đường dây dài, thì các hiện tượng tự dao động tăng dần và tự kích có thể xem như được loại trừ. Trong vận hành chỉ còn phải đối phó với mất ổn định dạng tiệm cận khi mà công suất phát biến đổi mạnh. 1.3. Hệ thống kích từ máy phát 1.3.1. Khái niệm chung Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện. Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các quận dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Dòng kích từ phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát điện với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống. Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản kháng phát vào lưới điện. Một vấn đề đáng quan tâm khi máy phát điện làm việc ở chế độ quá độ. Chế độ quá độ có thể xảy ra trong quá trình khởi động máy hoặc khi nối máy phát điện làm việc với lưới. Quá trình quá độ xảy ra có thể làm chất lượng điện năng giảm. Nếu không khống chế kịp thời có thể gây nên phá hủy máy. Thông thường thời gian quá độ của máy phát điện nói chung đòi hỏi phải tắt rất nhanh biên độ dao động của các quá trình quá độ trong máy phải nằm trong phạm vi cho phép. Đặc biệt trong trường hợp sự cố (ngắn mạch), cần có bộ phận để cưỡng bức dòng kích thích cho phép điện áp lưới ổn định. Do đó vấn đề điều chỉnh tự động dòng kích từ có vai trò hết sức quan trọng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 17 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 1.3.2. Thành phần của hệ thống kích từ Thiết bị kích từ bao gồm máy biến áp kiểu khô, bộ chỉnh lưu thyristor, bộ điều chỉnh tự động điện áp AVR, bộ phận diệt từ, thiết bị bảo vệ quá áp và tất cả trang thiết bị cần thiết cho việc điều khiển, bảo vệ hệ thống kích từ và máy phát trong các điều kiện vận hành bình thường và sự cố. Thiết bị kích từ ban đầu sẽ cung cấp dòng kích từ định mức thích hợp, đảm bảo chắc chắn và ổn định phát xung mở cơ cấu chỉnh lưu thyristor. Thiết bị cho phép kích hoạt các thiết bị kích thích từ các nguồn tạm thời bên ngoài với công suất dòng kích từ liên tục tới 1,2 lần công suất định mức và có thể điều chỉnh liên tục với các bước điều chỉnh 10% đến 100% điện áp đầu cực máy phát, để kiểm soát sự bão hòa máy phát và thử nghiệm đặc tính trở kháng trong thời gian vận hành. Tất cả các tính năng điều khiển, bảo vệ và hoạt động của thiết bị tương thích với chế độ điều khiển từ xa từ phòng điều khiển nhà máy. Điều khiển từ xa được giới hạn trong một vài điều khiển, chẳng hạn chỉ với chức năng như “khởi động-dừng” và tăng – giảm” thông qua bộ điều chỉnh tự động điện áp và điều khiển bằng tay biến trở tăng – giảm. 1.3.3. Bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát Để tự động điều chỉnh dòng kích từ của máy phát điện đồng bộ, người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR – Automatic Voltage Regulator). Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn công suất truyền tải của máy phát vào hệ thống lưới điện. Đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống qua đường dây dài. Những yêu cầu chung với hệ thống tự động điều chỉnh kích từ: - Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính ổn định động. - Hệ thống còn có chế độ kích thích cưỡng bức, khi máy làm việc ở chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới) …thì chỉ có bộ phận kích thích cưỡng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 18 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật bức làm việc là chủ yếu. Bộ phận này cho phép duy trì điện áp của lưới thông qua đó tạo điều kiện giải quyết sự cố và giữ ổn định cho hệ thống. Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông số của hệ thống kích từ như kết cấu của thiết bị AVR. Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho quận dây kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần phải có hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần phải có hệ thống kích từ thích hợp với công suất định mức đủ lớn. Thông thường đỏi hỏi công suất định mức của hệ thống kích từ bằng (0,2  0,6)% công suất định mức của máy phát điện. Việc tạo ra các hệ thống kích từ có công suất lớn như vậy thường gặp nhiều khó khăn. Đó là vì công suất chế tạo các máy phát điện một chiều có công suất lớn bộ phận này làm việc kém tin cậy và mau hỏng do tia lửa điện phát sinh. Với các hệ thống kích từ dùng máy phát điện động cơ xoay chiều và chỉnh lưu có ưu điểm nổi trội hơn. Ngày nay người ta đang áp dụng phổ biến hệ thống kích từ tĩnh, dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển. Ngoài công suất định mức và điện áp định mức, hệ thống kích từ còn được đặc trưng bởi hai thông số quan trọng khác là điện áp kích từ giới hạn (Ufgh) và hằng số thời gian (Te). Điện áp kích từ giới hạn là điện áp kích từ lớn nhất có thể tạo ra được của hệ thống kích từ. Giá trị điện áp này càng lớn thì phạm vi điều chỉnh dòng kích từ càng rộng và càng có khả năng điều chỉnh nhanh. Đối với máy phát điện tuabin hơi thường có Ufgh  2Ufđm. Trong nhiều trường hợp để đáp ứng các yêu cầu đảm bảo ổn định hệ thống, người ta chế tạo U fgh = (3  4) Ufđm. Tuy nhiên, Ufgh càng cao đòi hỏi hệ thống kích từ phải có khả năng cách điện cao. Hằng số thời gian Te đặc trưng cho tốc độ thay đổi dòng kích từ. Te được xác định bởi quán tính điện từ của các quận dây điện cảm. T e có trị số càng nhỏ thì tốc độ điều chỉnh kích từ càng nhanh. Đặc trưng cho tính tác động nhanh của hệ thống kích từ bằng tốc độ điện áp kích từ khi có kích thích cưỡng bức. 1.3.4. Bộ chỉnh lƣu kích từ thyristor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 19 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Sử dụng cho hệ thống kích từ tĩnh, bộ chỉnh lưu sử dụng ở đây là kiểu chỉnh lưu 3 pha, gồm hai cầu như nhau nối song song. Trong chế độ vận hành bình thường, cả hai cầu đều ở vị trí làm việc nhưng chỉ một cầu có xung kích từ để mở cổng thyristor, cầu còn lại ở trạng thái đóng. Trong trường hợp cầu đang mở có sự cố thì mạch điều khiển của nó tự động ngắt xung kích từ để khóa thyristor, và mạch điều khiển xung của cầu kia được tác động để tự động mở thyristor. Mỗi thyristor được lắp cùng với một cầu chì bảo vệ, một cảm biến nhiệt điện trở (RTD) để theo dõi nhiệt độ. Các cầu chỉnh lưu được thiết kế và bảo vệ để nó có thể hoạt động trong mọi điều kiện, thậm trí cả khi hệ thống điện bị dao động mà không có bất cứ nguy hại nào. Hệ thống kích từ có khả năng chịu được dòng cảm ứng trong mạch kích từ trường hợp ngắn mạch một pha hay nhiều pha phía hạ áp máy biến áp chính, hoặc trong trường hợp mất động bộ, mà các điểm đấu nối thyristor không bị quá nhiệt. Các bộ thyristor được đặt trong các phiến tỏa nhiệt thích hợp và được làm mát bằng không khí cưỡng bức. Hệ thống làm mát được trang bị hai quạt gió 400/230 VA.C. mỗi quạt đảm bảo 100% công suất làm mát cho các bộ thyristor, một quạt làm việc và một dự phòng. Sự chuyển đổi hoạt động giữa hai quạt được thực hiện tự động. Để giám sát nhiệt độ bộ chỉnh lưu, các quạt được trang bị các bộ đo lưu lượng không khí làm mát và các cảm biến nhiệt độ với hai mức cảnh báo, mức thứ nhất gửi đi tín hiệu báo động và mức thứ hai gửi đi tín hiệu cắt. 1.3.5. Một số hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ Trong thực tế có bốn loại hệ thống kích từ điển hình được sử dụng cho máy phát điện đồng bộ là: - Hệ thống kích từ bằng máy phát điện một chiều. - Hệ thống kích từ bằng máy phát điện xoay chiều tần số cao. - Hệ thống kích từ không chổi than. - Hệ thống kích từ tĩnh. Những hệ thống kích từ này sẽ được trình bày ở chương 3. 1.4. Hệ thống ổn định công suất 1.4.1. Trạng thái ổn định Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.e 20