BỘ CƠNG THƯƠNG
TONG CONG TY ĐIỆN TỬ vA TIN HỌC VIỆT MAM
CONG Ty C6 PHAN VIETTRONICS DONG DA
BAO CAO
KET QUA THUC HIEN DE TAI NGHIEN CUU KHOA HOC & PHAT TRIEN CONG NGHE CAP BO
NAM 2007
Tén dé tai:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG KÍCH THICH CHO MAY PHAT DIEN, UNG DUNG TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ THỦY ĐIỆN TRUNG BÌNH VÀ NHỎ, THAY THẾ HÀNG NHAP KHAU
Mã số:195-07RD/2007
Cơ quan chủ trì : Cơng ty Cổ phần Vietronics Đống Đa
Số 56 - Nguyễn Chí Thanh —q Đống Đa — tp Hà Nội
Chủ nhiệm đê tài : Lưu HồngLong- £Ƒ s/Điện -Giám đốc Cừy,
6803 12/4/2008
Trang 2KY HIEU VA VIET TAT
PSS (Power System Stabilizer) AVR (Auto voltage regulator) FCR (Field control regulator) THYRISTOR BRIDGE DIODE BRIDGE IGBT BRIDGE MUB coB LCP RCP AC DC CROWBAR Bộ én định hệ thống nguồn Bộ điều ồn áp tự đơng Bộ điều chỉnh kích từ CÀU THYRISTOR CÀU ĐIĨT CAU IGBT Card đo lường Card điều khiến
Panel điều khiễn tại chỗ Panel điều khiễn từ xa Dịng điện xoay chiều Dịng điện một chiều Mạch diệt từ
Trang 3MỤC LỤC
Mo AU
Giới thiệu chung -
Co sé phap lyAcuat xt cla dé tai
Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước và Cơ sở lý
thuyết
5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước
OR
ONS
5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 5.3 Phương pháp tiến hành nghiên cứu
CHUONG | TONG QUAN VE HE THĨNG KÍCH THÍCH
I.1 Phân loại kích thích
I.2.Xem xét điều khiển kích thích máy phát
I.3 Xem xét về mặt điều khiển
14 Chức năng bảo vệ hệ thống
CHƯƠNG II KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU
I1 Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL8000 của hãng ABB: 11.2 Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000
1.3 Cấu hình hệ thống UNITROL 6000
II.3.1 Khối chuyên đỗi cơng suất
1.3.2 Khối mơi từ (Fiald Flashing) và diệt từ (Crow bar) II.3.3 Khối đầu chỉnh điện áp
1.3.3.1 Chúc năng điều chỉnh
1.3.3.2 Chức năng giám sát và bảo vệ 1I.3.3.3 Chức năng ghi dữ liêu
1.3.3.4 Chức năng giám sát bộ xử lý
Trang 4CHƯƠNG II THIẾT KÉ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
Quy trình cơng nghệ chế tạo hệ thống điều khiển kích thích tính =
CHƯƠNG W THIẾT KÉ HỆ THĨNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN 27
TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT SĨ
IV.1 Thiết kế mơ hình hệ thống 2
IV.1.1.Mục tiêu chung khi thiết kê hệ thỗng 21
IV.1.2.Quan điểm thiết kế hệ thơng 28
IV.1.3.Thơng số yêu câu đáp ứng của hệ thống 29
IV.1.4.Thiết kế mơ hình cau trúc hệ thống 30
IV.1.5.Nguyên lý điện của hệ thống điều khiễn kích thích tính 343
I.2 Nghiên cứu xây dựng phân mêm hệ thơng kích thích 34
IV.3 Thiét ké ché tao phan cứng hệ thống kích thích 52
IV.3.1.Thiết kế chế tạo hệ thống tủ đều khến 82
IV.3.2.Chế tạo card (board) đo lường 57
1V.3.2.1 Dac diém cla board đo lường 57
1V.3.2.2 M6 ta 57
IV.3.2.3 Sơ đồ cấu trúc chung của board đo lường: 58
IV.3.24 Mơ tả chức năng của các khĩi 59
1V.3.2.5 M6 ta DSP TMS320VC5510; 68
IV.3.3 Chế tạo/ tích hợp bộ điều khién V1000SE (COB) 73
IV.3.2.1 Giới thiệu hệ thơng mơdu| PC104 và các card 1/0 74
IV.3.2.2 Mơ tả Mơdul PPM-GX500 - PC104 module 75
IV.3.2.3 M6 ta Médul PC104 - PCM-A/D16 78
IV.3.24 Mơ tả phản man hinh hién thi LK204-26 cia hang MATRIX ORBITAL, 85
1¥.3.2.5 Thiét ké tong the phần cứng hộp bộ điều khién 85
IV43.26 Thuyet minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều 86
khiễn loại V1000SE (COB) _
V34, Ché tao panel hién thị tại chỗ và từ xa 86
IV.3.4.1 Mơ tả phan man hinh hién thi cla hang MATRIX ORBITAL 90
IV.3.4.2 Mơ tả cấu trúc, kích thước bộ điểu khiễn tại chỗ và từ xa 91 V3.43 Thuyết minh, chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều 91
khiển tại chỗ và từ xa loai V1000SE LCP va RCP
IV.3.5 Chế tạo/ tích hợp bộ điều khién céng suat 9
Trang 5IV.3.6 Chế tạo tích hợp bộ mỗi từ : 96
IV.3.7.Chế tạo/ tích hợp bộ diệt từ 96
CHƯƠNG V THỰC NGHIÊM 98
V.1 Thiết bị, dụng cụ, nguyên vật liệu và hố chất sử dụng cho nghiên _ ga
cứu
V.2 Lắp ráp chạy thử hệ thống 98
V.3 Hiệu chỉnh hồn thiện hệ thống 101
V.4 Chạy thủ nghiệm tại nhà máy phát điện SMW 101
V5 Két quả thực nghiệm (nêu rõ các điều kiện tiền hành thực nghiệm _ ;gị
và kết quả đạt được) và thảo luận
KÉT LUẬN VÀ KIỀN NGHỊ 108
1 Kết quả đạt được (kết luận) 108
2 Hướng nghiên cứu tiếp theo (kiến nghị) 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
PHỤ LỤC 108
Trang 6MỞ ĐẦU
1 Giới thiệu chung
Làm chủ cơng nghệ, tính tự động hĩa, chất lượng điều khiên, tinh én dinh, ệu quả kinh tế là các tiêu chí hàng đầu đặt ra cho việc nghiên cứu c:
“Hệ thơng kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện cơ cơng suất trung bình và nhỏ, thay thê hàng nhập khâu”
Việc làm chủ cơng nghệ và chủ động cung cắp các hệ thơng điều khiễn đồng bộ bằng nội lực hiện nay là một yêu cầu cắp bách, nhằm nâng cao tỷ trọng địa hố các sản phẩm sản xuất trong nước Do chưa làm chủ được cơng nghệ Thiết kế chế tạo nên phần lớn các hệ thơng thiết bị đồng bộ chúng ta vẫn phụ Thuộc vào các tập đồn Quốc tế Tỷ trọng phần giải pháp cơng nghệ, thiết kế thơng thường chiêm từ 30% đến 60%, thậm chí trong một vài dự án cụ thê nĩ chiếm tới 80% tơng giá thành của hệ thơng thiết bị đồng bộ Như vậy cho dù các điều kiện cơng nghệ sản xuất trong nước chưa cho phép 1a sản xuất hết được các thiết bị điều khiễn đồi hỏi cơng nghệ cao, chúng ta vẫn đạt được tỷ
lệ sản xuất trong nước cao trong các hệ thơng thiết bị đồng bộ bằng giá trị
cơng nghệ, thiết kế trong hệ thơng Bài viết này đề cập vẻ vẫn đề nghiên cứu làm chủ cơng nghệ thiết kê, tích họp, chế tạo hệ thơng điều khiễn đồng bộ về
việc điều khiên kích từ (kích thích) máy phát cho các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện cơng suất trung bình và nhỏ
Trang 7
2 Cơ sở pháp lý/xuất xứ của để tài
Cơng ty Cổ phần Vieronics Đồng Đa là đơn vị thực hiện để tài khoa học năm 2007 Theo hợp đồng số 195-0TRD /HĐ-KHCN, ký ngày 01 thánđg 03 năm 2007 vẻ việc *NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỄN CƠNG 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 Cơng nghiệp và bên nhận là Cơng ty Cổ phân Viettronics Đồng Đa
.Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Thay thế hàng ngoại nhập với chất lượng tương đương
Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ Xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo tiên tiền, đảm bảo tính khả thi
AK
Ww
Đồi tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu làm chủ cơng nghệ điều khiển kích thích máy phát điện
\\ Thiết kế chế tạo một hệ thống điều khiển cơng nghiệp trên cơ sở kết hợp thiết kế chế
tạo ra các khối đo lường ký thuật số, khối mạch cơng 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 8 AM29F040-120.JC, RAM cho dữ liệu - KơR1008V1C-JC12, Thạch anh 32MHz - SG-615PH C 32.0000M ) và ứng dụng các bộ điều khiễn tiên tiền chuyên dùng cho cơng nghệp thuộc dịng PC104
+_ Thử nghiệm và hồn thiện thiết kế hệ thống,
+ Thử nghiệm thực tế hệ thống cho ngành điện nĩi chung, nhà máy điện cơng suất SMMW nĩi riêng
5.Tổng quan tinh
sở lý thuyết h nghiên cứu trong và ngồi nước và Cơ
5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước
Hệ thống kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ đã được nghiên cứu, chế tạo từ rắt 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 8
Cho đến nay các giải pháp vẻ điều khiển kích thích cho nhà máy điện đã gân như hồn thiên, khơng những hồn thiện vẻ tính năng và chất lượng điều khiển mà cịn đáp ứng các tính năng liên quan khác như quản lý giám sát từ xa, thu thập và lưu giứ dữ liệu, kiểm sốt ghi lai các trang thai sự cĩ, giao diện thân thiện hơn
5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Các hệ thống kích thích cho các nhà máy điên 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 cơng cao tính theo giờ
Trong khi đĩ nhu cầu về việc xây dựng các nhà máy phát điện ngày càng nhiêu, theo quy hoạch phát triển ngành điện đền năm 2010 nước ta cằn phải xây dựng 50 nhà má/ điện các loại
Hiện nay khoa học cơng nghệ ngày càng phát triển, cũng như việc hội nhập của Việt Nam Để chủ động về cơng nghệ cũng như kết hợp đội ngũ ký sư sẵn cĩ chúng ta hồn tồn cĩ thế nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phục vụ cho các nhà máy điện thay thề các thiết bị nhập ngoại, đảm bảo đáp ứng thời gian cung cắp, bảo hành thiết bị kịp thời
Lam chủ cơng nghệ đễ chủ động trong thiết kề, chế tạo các hệ tồng thiết bị đồng bộ nĩi chung và hệ thống điều khiển đồng bộ nhà máy thuỷ điện nĩi riêng là một địi hỏi cấp bách hiện nay, nĩ 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 cơng nghệ cao âng 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 tồn Đảng, tồn dân ta trong giai đoạn hiện nay Trình độ cơng nghệ
chế tạo trong nước chưa cho phép chúng ta sản xuất hết được các thiết bị địi hỏi cơng
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 điêu khiển đễ chủ đơng cung cáp các hệ thống thiết bị đồng bộ là giải pháp tốt nhát hiện nay Nếu làm được như vậy thì tỷ lệ nội địa hố các hệ thống thiết bị đồng bộ đá đạt trên 50%, mặc dù chúng ta chưa chế tạo được các thiết bị cơng nghệ cao
5.3 Phương pháp tiền hành nghiên cứu
+“ Khảo sát mẫu nhập ngoại
+ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phù hợp với điều kiện các nhà máy điện trong nước
+ Thử nghiệm hệ thống tại nhà máy điện 5MW và kiểm định các thơng số ký thuật
Trang 9CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VỀ HỆ THĨNG KÍCH THÍCH
Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngồi việc phải cĩ động cơ sơ cấp kéo, cịn phải cĩ dịng điện kích thích Dịng điện kích thích là một dịng điện một chiều, được đưa vào Rơto của máy phát đễ kích thích từ trường của Rơto máy phát
Hệ thống thiết bị tạo ra dịng điện một chiêu này gọi chung là hệ thống kích thích má/ phát Dịng điện kích thích máy phát, ngồi việc tạo từ trường cho Rơto, cịn cĩ thé dung để điều chỉnh điện áp máy phát theo giá trị danh định hoặc theo giá trị đặt đế hịa lưới Ngồi ra, dịng điện này cịn điều chỉnh cơng suất vơ cơng của máy phát khi máy phát đã hịa vào lưới
Đề cĩ thể thay đối trị số của dịng điện kích thích nhằm đáp ứng được các yêu cầu trên, cần phải cĩ một bộ phân điều khiển Hệ thống mạch điện để điều khiển dịng điện kích thích gọi là hệ thơng điều khiển điện áp, hay cịn gọi tắt là bộ điều áp
Hệ thống kích thích, với chức năng cung cấp dịng kích thích cho máy điện đồng bộ bao gồm tắt cả, cơng suất, sự điều chỉnh và bảo vệ để điều chỉnh én định điện áp đâu 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 thơng 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 điêu khiễn hỏi tiếp bao gồm máy phát điện và hệ thống điều khiển kích thích của nĩ Thơng qua điện áp cảm nhận được từ đầu cực máy phát, hệ thống điều khiển kích thích sẽ cấp dịng kích thích phù hợp đền cuộn dây kích thích máy phát để én định điện áp đầu cực máy phát theo giá trị mong muơn
khi máy phát điện hoạt động song song với các máy phát điện khác hoặc nồi 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 dịng kích thích cho máy phát điên đồng bộ để giữ cơng suất cảm kháng trên lưới, tt đĩ dn định điện áp đầu cực máy phát
Trang 101.1 Phân loại kích thích
Căn cứ vào cách tạo ra dịng kích thích cung cáp cho dây quán kích thích, nguời ta chia hệ thống kích từ thành hai nhĩm chính: Hệ thống kích thích quay xây dựng trên các bội kích thích quay một chiêu DC (DC Exciter), bộ kích thích quay xoay chiều AC (AC Exciter) và hệ thống kích thích tính xây dựng trên các bộ kích thích tinh (Static Exciter) Bộ lách thích AC và DC được xây dựng trên cơ sở sử dụng các máy phát điện một chiều (DC Exciter) hoặc xoay chiều cĩ chỉnh lưu (AC Exciter) gắn đồng trục của Rotor, quay đồng bộ với Rotor để cấp dịng cho dây quần kích thích
Bộ kích thích tĩnh (Staic Exciter) đặt độc lập với máy phát, cáp dịng kích thích cho day quần kích thích qua cơ cấu chỗi quét vịng gĩp điện Dịng kích thích của bộ kích thích tính được lấy từ đầu cực máy phát thơng qua khĩi câu chỉnh luư Thyristor cĩ điều khiển 4) _ Hệ thơng kích thích một chiều (DC)
Ngày nay, bộ kích thích DC vấn cịn được sử dụng ở nhiều máy phát đồng bộ (Synchronous Generator-SG) cĩ cơng suất tháp hơn 100MVA Nĩ được cấu tạo gồm hai máy phát điện một chiêu kiểu vành gĩp điện DC (DC cornmutator electric generator) đĩng vai trị 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 (AVR)
Hinh I.2: Hệ thống kích thích một chiều
Khi Rotor quay, máy phát điện AE sẽ tạo ra dịng điện cấp cho máy phát điện ME Tới lượt mình, ME sẽ tạo ra dịng một chiều cáp cho dây quần 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 AVE thơng qua điện áp điều khiển Vcon
Hệ AE và ME đĩng vai trị như một bộ khuyếch đại cơng suất với hệ số khuyếch đại lên tới 600/1 (20.30, do vậy ta chỉ cẩn cơng suất tháp để cáp 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 để ăn mịn chỗi quét ở ME và AE
Trang 11- _ Cĩ thể gây ra hiện tượng xốn trục khi cĩ tải, mà nguyên nhân là đáp ứng chậm của nĩ
-_ Khơng cĩ khả năng dự phịng online,
phản của hệ thơng đều là cơ cầu quay át khĩ cho bảo vệ khi tất cả các thành
VI nhứng nguyên nhân này mà hiện nay phản lớn hệ thống kích thích DC đã được thay thế bằng hệ thống kích thích tinh
b) _ Bộ kích thích xoay chiều (AC)
Bộ kích thích AC vẫn được sử dụng trong cơng nghiệp ngay cả ở các máy đồng bộ mới Nĩ được thiết kế trên cơ sở sử dụng một máy phát điện đồng bộ (Excitation S/nchronous Generator-ESG) và một câu chỉnh lưu diode gắn trên trục của nĩ Bộ kích thích AC gắn đồng trục với máy phát sere eae
Hinh 1.3: Hệ thống kích thích xoay chiều
Khi hệ thống hoạt động, điện áp xoay chiều đầu cực ESG được chỉnh lưu bằng câu chỉnh lưu diode để tạo ra dịng DC cấp trực tiếp tới dây quấn lách thích của máy phát Điện áp đầu cực máy phát được điều khiển bởi bộ AVR thơng qua điện áp Vcon Bộ kích thích AC cĩ hệ số khuyếch đại khoảng 1/20(30) do chỉ sử dụng một máy phát kích thích, do vậy chỉ cằn cơng suất bé để cấp cho hệ thống
Hệ thống kích thích AC cĩ đặc điểm
= Đáp ứng thời gian của hệ thống vẫn cịn lớn - _ Cơng suất điều khiển nhỏ
- _ Vẫn cịn khả năng gây xốn trục khi cĩ tải
- _ Khả năng dự phịng tháp, chỉ cĩ thế dự phịng hệ chỉnh lưu
-_ Khơng cĩ khả năng dự phịng online, rất khĩ cho bảo vệ khi tắt cả các thành phản của hệ thơng đều là cơ cầu quay, khơng tĩnh
©) Bộ kích thích tỉnh 2 a Vcon Bé x
Bộ lách thích tính, thiết kế trên cơ sở câu chỉnh lưu Thwristor cĩ điều khiển, được sử dụng rơng rái từ những năm 1960 Trong bộ kích thích tính, điện áp (cĩ thể cả dịng điện) ở đầu cực máy phát được chuyến đổi về một mức thích hợp, được chỉnh lưu cĩ
dua wii
trang 1Ì
Trang 12hoặc khơng cĩ điều khiển và cáp trực tiếp tới dây quán kích thích thơng qua cơ cầu chổi quét, vịng gĩp điện
Agươn năng lượng _ Gơn70/Macbmmical Acton /B năng
sean Primary Eangy ai canta thời ` ») Turbine = Generator, Ni Si “HỆ tiêu thự Dang da bei ích thích “Điện nhấc ấp máy tan alet veneer esi bà) Xi hệt Hình I.4: - Vị trí của hệ thống kích thích tĩnh Turbine Vogel AVR) Hinh 15: ệ thống kích thích tĩnh
Sự ra đời ISBT cơng suất lớn mở ra hướng thay thế cầu chỉnh lưu Thyristor cĩ điều khiển bằng hệ Diode-|GBT điều khiển bằng phương pháp điều chế biên độ xung PWM Hệ chỉnh lưu Diod-IGBT cĩ ưu điểm về điều khiển và bảo vệ là huớng phát triển triển vọng trong tương lai
Cơ cấu vịng
tiếp điện, chỗ
quét
Trang 13
Hình I.6: Cầu chỉnh lưu cơng suất cĩ điều khiển dùng Thyristor và IGBT
Hệ thống kích thích tính cĩ ưu điểm về tính ðn định cao, dễ dàng thiết kế, chế tạo, vận hành và thuận lợi cho dự phịng thay thế Hơn nữa, bộ kích thích tính được thiết ké trên cơ sở bộ chỉnh lưu Thyristor, cĩ cơng suất kích thích được lầy từ đầu cực máy phát do vậy hằng số thời gian của hệ thống là bé Tuy nhiên, Hệ thống kích thích tính gặp một số hạn chế như
-_ Nguơn kích thích được lấy trực tiếp từ đầu cực máy phát nên cẩn phải cĩ một nguơn cơng suất phụ độc lập đễ mỏi từ cho hệ thống Hơn nứa, dễ sinh ra tia lửa
điện ở cơ cầu vành trượt và chỗi than
- _ Điện áp đâu cực máy phát biến thiên liên tục trong mét dai lớn, do vậy miền biển thiên của điện áp kích thích là lớn, gây ra những ảnh hưởng xấu tới thiết bị nồi với máy cũng như dây quần 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 cĩ thế 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 tính được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong các nhà máy phát điện
Bộ kích thích tĩnh cĩ hai kiểu chính:
- _ Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn thé (Potential source-rectifier exciter)
- _ Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp (Compound source-rectifier exciter) d) _ Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thê
Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thể, được sử dụng phổ biển hiện nay cĩ cơng suất kích thích được cấp từ một may bién thé (Potential Transformer - PT) nĩi với đâu cực máy phát, và được chỉnh lưu bởi câu chỉnh lưu Thyristor hoặc hệ Diode-ISBT cĩ điều khiển
©) _ Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp
Bộ kích thích kiểu nguồn hỗn hợp, được sử dụng trong một vài ứng dụng cụ thé, yêu cầu duy trì dịng ngắn mạch 3 pha trên đâu cực máy phát.Dịng ngắn mạch này khơng phải do lỗi gây ra mà là do dịng khởi động của một đơng cơ rất lớn gây nên sụt giảm điện áp máy phát gây ra Khi qua quá trình khởi động đơng cơ, điện áp sẽ được phục
Trang 14hỏi một cách nhanh chĩng Trong trường hợp này hệ thống sẽ khơng thực hiện việc cất máy cất vì khơng phải là lồi
Trong bộ kích thích này, ngồi biến áp lực người ta cịn sử dụng 2 hoặc 3 biến dịng cơng suất lớn để cấp dịng kích thích trực tiếp tới cuộn Rotor khi ngắn mạch Bởi vì trong trường hợp đĩ ta khơng điêu khiển được điện áp nứa do sự sụt giảm rất nhanh của điện áp đầu cực khi ngắn mạch, hoặc sụt áp
1.2 Xem xét điều khiển kích thích máy phát
Hau hét các đối số điều chỉnh mà ảnh hưởng đền thao tác của hệ thồng điều khiển kích thích được chứa trong các phản tử của hệ thống kích thích bao gồm bộ xác định lỗi điều chỉnh điên áp, các bộ bù, các giới hạn và bộ én 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 khiến của hệ kích thích được chuyển sang én định cơng suất phản kháng hoặc ưn định hệ số cơng suất ? Chức năng điều khidn bang tay Điều khiển bằng tay là một thành phần khơng thể thiéu của hệ thống kích thích, chức năng điều khiển bằng tay thường được thiết kế để điều chỉnh máy dịng điện hoặc điện
áp kích thích từ khơng tải đến đây tải Chức năng này được thực hiện khi thí nghiệm bản giao (cornrnissning) hệ thống và điều khiển dự phịng khi cĩ lỗi xảy ra với bộ điều khiển tư động
g) Chức năng điều khiẫn tư động
Chức năng điều khiển tự động bao gồm các giới hạn của nĩ chứuc năng ỗn định, điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát đồng bộ bởi cung cấp tín hiệu điều khiễn tới cu chỉnh lưu cơng suất Tắt cả sự điêu chỉnh, máy phát và hệ thống cơng suất đểu ảnh hưởng đến điện áp đầu cực máy phát
Đặc tính bn định
Đáp ứng của hệ thống kích thích biến đổi chậm theo tải, tân số và nhiệt độ của mơi trường, tắt cả kết hợp nên đặc tính ưn 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
đối từ khơng tải đến đủ tải trừ các trường hợp khác Bộ điều chỉnh tải thường được lấy ở +/-0.5%
Dae tinh tin hiéu nhỏ
Đặc tính tin hiệu nhỏ tham chiều tới các đáp ứng của nĩ khi sự khơng tuyến tinh trong thực hiện của hệ thơng điều khiển kích thích cĩ thế bỏ qua Đặc tính quá độ và tân số kết hợp với hệ thống điều khiển hỏi tiếp là cơ sở đặc biệt của đặc tính tín hiệu nhỏ
Trang 15Đăc tính tín hiu lớn
Đặc tính tín hiệu lớn tham chiều tới các đáp ứng của đầu ra hệ thống kích thích bắt ngờ thay đổi lớn theo hệ tải mà đặc tính thực hiện của hệ thồng kích thích khơng tuyến tính a) Chức năng điều khiễn bù
Một số lớn các chức năng điều khiển bù ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống kích thích Các chức năng này cĩ thể khơng được trang bị trong hâu hét các hệ thống hoặc chỉ được actwe trong các trường hợp đặc biệt khi thực hiện ở chế độ điều khiển tự động Thơng thường nĩ bao gồm các thành phản trong hệ thống điều khiển kích thích máy phát đơng bộ và khơng bao gồm các chức năng bảo vệ, mặc dù nĩ cản thực hiện
đĩng với vài chức năng bảo vệ nào đĩ Nhứng hệ thơng kích thích hiện đại thường được kết hợp giữa hai phân 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 ỗn định hệ thơng cơng 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 nơi lưới hoặc nồi song song với nhau, bù sự sụt áp gây ra do tải
Chức năng điều khiển én định hệ thống cơng suất(PSS) là một chức năng đều khiển bỗ sung để trang bị cho hệ thống kích thích nhằm tăng tính ổn định của hệ thống cơng suất, Õn định của tân số máy phát khi máy nồi tải PSS sẽ giảm thiếu sự giao động của tần số máy phát b) Chức năng gi Giới hạn dựa hạn hn thích
Giới hạn dưới kích thích được tính đến trong hâu hết các ứng dụng để ngăn cản sự hoạt động phân dưới kích thích của đường cong khả năng của máy đồng bộ (hướng gây ra sự nĩng của lối thép Stator), hoặc hoạt động trong một khu vực tiệm cận với giới hạn cân bằng trạng thái én định hoặc cả hai Mặc dù giới hạn dưới kích thích thường là một thiết bị cảm nhận trở kháng, mục đích là nĩ cĩ thể được so sánh với đường cơng khả năng của máy phát điện đỏng bộ hoặc giới hạn cân bằng trạng thái én định Thao tác của nĩ được kết hợp với bảo vệ mắt kích thích cho máy phát đồng bộ Trong một vài trường hợp, giới hạn dưới kích thích khơng được đĩng với PSS Giới hạn dưới kích thích cĩ thể được chỉ lại trên cơ sở nhiệt độ hoạt động của máy phát điện đơng bộ
Giới hạn quá kích thích
Giới hạn quá kích thích được sử dụng ban đầu đễ tránh sự quá nhiệt của cuộn dây kích thích máy phát điện đồng bộ khi dịng 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 cĩ thể được chậm trễ Giới hạn này thưởng được kết hợp trong một hệ điều khiển đa bậc và các khối bảo vệ cho day kích thích Giới hạn quá kích thích cĩ thể được đưa ra trên cơ sở làm lạnh máy phát điện đồng bộ
Giới han Volts/Heriz
Trang 16
Giới hạn Volts/Hertz cĩ cùng tên như vậy vì từ thơng tỉ lệ với điện áp đầu cực trên tần sĩ Từ thơng dư thừa này cĩ thể gây ra sự quá nhiệt và phá hỏng lối sắt và sự cách điện của cuộn dây Stator Giới hạn V/Hz được sử dụng đễ ngăn cản sự quá nhiệt xuất hiện từ sự dư thừa từ thơng do sự hoạt động dưới tần số hoặc quá áp hoặc cả hai
Giới hạn WHz thường được dùng đề bảo vệ một máy phát điện đồng bộ (và các máy biến thể kết nĩi với nĩ) trong suốt quá trình khởi động, các chủ thế cĩ thể của máy phát (và các máy phát kết nĩi với nĩ) tới hệ kích thích trong suốt quá trình giảm tốc độ (và sau đĩ là giảm tẳn số) Nĩ cũng được dùng đề bảo vệ máy phát đồng bộ (và các may biến thế nối với nĩ) từ mức từ thơng cao, khi điều này xảy ra với máy ở chế độ off-line, trong suốt quá trình đĩ khơng cĩ dịng cảm ứng phân ứng để chĩng lại sự tăng điện áp đâu cực máy phát tương ứng với sự tăng dịng 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 đơng này, giới hạn VJHz hành động khi điện áp đâu cực máy phát tăng khi tản số tăng Đặc tính V/Hz nên được xem xét
Chức năng điều khiẫn VawFf
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 cơng suất PF Vậy đối tượng điều khiển lúc đĩ sẽ là cơng suất phản kháng Q(Var), hoặc hệ số cơng suất Cose
I.3.Xem xét về mặt điều khién
a, Diet tu
Phương pháp triệt tiêu năng lượng cĩ thể bao gồm một ngắt từ AC kết hợp với mạch
shunt câu chỉnh lưu cĩ điêu khiển crowbar và một điện trở lớn Mạch điêu khiển kích thích đặc biệt cưỡng bức đầu ra tới khơng hoặc điện áp âm cĩ thể được sử dụng trong hâu hết các hệ thống kích thích hiện đại Phương pháp shutdown dự phịng thường sử dụng đễ chơng lại lỗi của ngắt
Trong các cầu hình của hê thơng kích thích tinh cho phép dùng một bộ ngất ngắn mạch Đặc biết mạch điều khiển kích thích cưỡng bức đầu ra tới 0 được sử dụng cho hâu hét hệ thống Bộ diệt từ tác động nhanh cĩ thể được thực hiện theo phương pháp sĩ
b Don vi diéu khién bang tay
Chức năng điêu khiển bằng tay cĩ thể dùng một biển trở trong trường hợp bộ kích thích quay DC Chức năng điêu khiển này thường được dùng trong hệ chỉnh lưu quay Trong hau hết kiểu kích thích, vài dạng điều chỉnh DC được kết hợp để cung cáp chức năng điều khiển điện áp kích thích hoặc dịng kích thích Quá trình tự động điều chỉnh tới chức năng điều khiến bằng tay điện áp hoặc dịng hoặc cả hai cĩ thể là kết quả từ lối gây ra bởi một thành phân điều khiển, hoặc khi phát hiện ra lỗi hoặc quá kích thích (quá áp hoặc quá dịng)
Trong vài hệ thống, AVR được yêu câu cho thao tác vận hành độc lập Trên các hệ thống này, chuyển đối tới thao tác điều khiến bằng tay khơng cho phép và lỗi của AVR cĩ thế là làm đĩng ngắt một thiết bị chuyến mạch hoặc chuyến sang chế độ hoạt động dự phịng
Trang 17
c Don vi diéu khién tự động
Chức năng điều khiển tự động được xây dựng theo yêu cầu điều khiển máy điện đồng bộ Thơng 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 khiến cơng suất phản kháng, hệ số cơng suất Mồi chức năng điều khiển hoạt động theo yêu cảu và trong các trưởng hợp khác nhau
Chức năng điều khiển tự động của hệ thống điều khiển kích thích cĩ thế được điều
khiễn và giám sát từ xa, qua giao tiếp mang
Một đơn vị tự động statt/stop được xem xét đễ đưa hệ thơng kích thích vào hoạt động hoặc remove nĩ ra khỏi hệ thống trên cơ sở đĩng mở các tiếp điểm
I.4.Chức năng bảo vệ hệ thơng
Chức năng bảo vệ hệ thống được xem xét trên cơ sở những sự cĩ cĩ thể xảy ra và ảnh hưởng của nĩ đồi với hệ thồng kích thích và các thiết bị liên kết với hệ thống Theo đĩ, những lỗi được xem xét khi xây dựng hệ thống kích thích là
- _ Mất cảm nhận hỏi tiếp toi AVR -_ Lỗiở AVR
u chỉnh lưu Thựristor -_ Ngắn mạch
- _ Chạm đất cuộn dây Rotor
4) Mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR
Khi mắt cảm nhận hồi tiếp tới AVE do nguyên nhân lỗi đường truyền từ máy biến thế trường tới AVR AVR nhận được một điện áp rất tháp và sẽ cổ làm tăng nĩ bằng cách điều khiển tăng điện áp kích thích, dán đến điện áp đâu cực sẽ tăng Điện áp đầu cực cĩ thé tăng đến 60% tùy vào các giá trị quá kích thích, hoặc dưới kích thích đất cho máy Đây là mức điện áp nguy hiểm đổi với cuộn dây máy phát và các thiết bị sử dụng Nếu máy nĩi lưới, khi tăng cơng suất kích thích khơng làm tăng điện áp đầu cực máy phát mà chỉ làm tăng cơng suất phản kháng lên lưới Nhứng máy khác sẽ háp thụ cơng suất phản kháng của lưới để duy trì sự ổn định điện áp đàu cực, gây ra sụt cơng suất tác dụng của tồn lưới và làm quá nhiệt ở cuộn dây Rotor
Lỗi này được xử lý bởi các Roler quá áp đặt ở đâu vào dây quán Rotor, các Roler quá áp để quan sát điện áp pha hoặc một chuỗi các Role quan sát cảm nhận đâu vào AVR
Lỗi ở AVR thường tạo ra một trong hai chế độ hoạt động của máy phát đĩ là: Chế độ hoạt động thiều hoặc mắt kích thích và chế độ hoạt động quá kích thích
Hê thơng hoat đơng ở chế đơ mắt kích thích:
nay thường xảy ra khi cĩ sự sụt áp đầu cực máy phát, do các nguyên nhân như ngắn mạch Trong trường hợp nây, máy sẽ khơng đủ cơng suất cấp cho tải Ngồi ra,
cơng suất tử trong máy nhỏ hơn cơng suất cơ rất nhiều, gĩc tải sẽ tăng nhanh vượt quá
90” gây mát tính đồng bộ của máy Điều này sé làm tăng nhiệt độ của cuộn dây Stator,
Trang 18
phá hỏng lớp cách điện của dây dẫn Khi máy nổi lưới, máy sẽ hắp thụ cơng suất phản kháng của lưới để duy trì điện áp đâu cực Má/ sẽ biến thành động cơ với cơng suất được cấp bởi lưới cĩ thế gây ra xoắn trục Rotor, quá nhiệt ở cuộn dây Rotor do dịng kích thích cưỡng bức phản hồi từ lưới
Hệ thống hoạt đơng ở chế đơ quá kích thích
Trong trường hợp này, dịng kích thích lớn sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt và cĩ thể làm hồng lớp cách nhiệt ở cuộn dây Rotor Ngồi ra, điện áp đâu cực của máy sẽ rất lớn gây ra quá áp ở tải cũng như quá nhiệt ở cuộn Stator Khi máy nồi lưới, máy sẽ bơm cơng suất phản kháng vào lưới, các máy khác sẽ hắp thụ cơng suất phản kháng của lưới đễ duy trì điện áp lưới ổn định, gây ra sụt cơng suất tác dụng của tồn 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 nồi với máy Để bảo vệ, ở đâu các cuộn dây kích thích, người ta sẽ gắn các Roler bảo vệ quá/dưới dịng, áp Các cảm biển nhiệt được cài đặt để đo nhiệt độ của dây quần Rotor và Stator
0) Lỗi cầu chỉnh lưu Thưrisfor
Các lỗi xảy ra với câu Thyristor la: Mat điều khiển, luơn mở, luơn đĩng, hoặc một chiếc Thyiistor nào đĩ bị hỏng Khi đĩ chất lượng điện áp cạnh DC của Thyristor sẽ khơng tốt, hài khơng mong ruồn, ảnh hưởng xâu đến điện áp kích thích cung cấp cho máy Để bảo vệ, người ta sử dụng các Rơle quan sát độ gợn sĩng của dịng kích thích
Lỗi cu Thyristor con xảy ra khi nhiệt độ trong tủ đựng là lớn, ảnh hưởng đến đều kiện làm việc của Thyristor Do vậy ở trong các tủ đựng Thựristor nhiệt độ làm việc luơn được điều khiển và quan sát, hệ thơng 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 thơng kích thích phụ thuộc vào thiết
khoảng cách từ vị trí ngắn mạch tới Khi ngắn mạch xây ra điện áp dau cực máy phát sẽ giảm, dịng điện đâu cực tăng, cĩ thễ gây mắt điều khiến AVR AVR cĩ thế chuyến sang hoạt động ở chế độ điêu khiến FCR hoặc ngắt mạch khi dịng tăng quá lớn và điện áp
đâu cực tiến tới 0
Dịng điện tăng đột ngột này cĩ thể phá hỏng Thyiistor vì vậy trên các đâu vào của mỗi van chỉnh lưu Thyristor người ta cịn đặt các cầu chỉ tác động nhanh để giới hạn dịng điện bảo vệ Thyristor
8) Lỗi cham đất
Lỗi này được xem xét một cách ngiêm túc do hậu quả mà nĩ gây ra Cơ cấu chỗi quét vịng gĩp điện cĩ khả năng bị bụi bám vào gây chạm đát, vì thế người ta cĩ thế xem đĩ là điểm đất của dây Rotor và máy vẫn hoạt động bình thường Tuy nhiên, nếu vì một nguyên nhân nào đĩ mà mạch từ cĩ điểm chạm đất thứ 2 Khi đĩ, sự quá nhiệt nội tại của các thanh dẫn cĩ thễ phá hỏng sự cách điện của dây quần Rotor Trong trường hợp nay mét rơle xác định điểm chạm đắt được áp dụng cho điểm chạm đất thứ nhát, và cảnh báo hoặc ngất mạch khi cĩ một điểm chạm đắt thứ 2 xuất hiên
Trang 19
CHƯƠNG II KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU
Hiện nay trên thế giới cĩ rất nhiều hãng nỗi tiếng chế tạo hệ thống điều khiển kích thích máy phát, với cơng nghệ hiện đại với các hãng như Basler, ABB, AREVA và hằu hết việc ứng dụng điều khiển các máy phát là những hệ thống kích thích tinh vì nĩ bộc lộ nhiều ưu điểm đáp ứng được yêu câu hiên nay Thực tế, chúng tơi đã được chứng kiến phía cơng ty Nhiệt điện Uơng Bí tại thị xã Uơng Bí tỉnh Quảng Ninh đã và đang sử dụng 02 hệ thơng kích thích tĩnh UNITROL5000 của hãng ABB cho hái máy phát 55MW từ năm 2001, hệ thồng này đã thay thể hẳn phần máy phát kích nồi liền trục với máy phát chính nên đ hạn chế nhiều sự cổ do khâu máy phát kích luơn phải đại tu, hoặc sự cố và nhược điểm lớn nhát là do chỗi than và vành trượt Đền nay hệ thơng kích thích tinh làm việc rất én dinh, điều khiễn tối ưu, gần như khơng gặp phải sự cĩ trong nhiều quý vận hành nên năng xuất phat điện của cơng ty tăng lên rố rệt
Trên cơ sở đĩ, chúng tơi đá chọn hệ thống điều khiển kích thích tính của háng ABB để làm mục tiêu nghiên cứu học hỏi với mục đích chế tạo, tích hợp hệ thống để cĩ sản phẩm tương tự và cĩ giá thành rẻ hơn, chất lượng vẫn đảm bảo, làm chủ hơn về cơng nghệ Sau đây chúng tơi sẽ đề cập đền các ván liên quan
II.1.Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB:
UNITROL 5000 là dịng sản phẩm Hệ thống kích thích sử dụng cơng nghệ vi xử lý cơng nghệ mới nhất UNITROL là dịng sản phẩm kế thừa kinh nghiệm 40 năm chế tạo bội chuyễn đối cơng suất và 15 năm kinh nghiệm trong lính vực chế tạo hệ thống kích thích trên cơ sở sử dụng bộ vi xử lý
Hệ thống kích thích tĩnh (Static Exctation Systems - SES) được sử dụng cho các nguồn cơng suất 50Hz, 60Hz hoặc 16 2/3 Hz với dịng kích thích từ 1000Adc đến hơn
10.000Adc
Bộ điều chỉnh điện áp tự động (Automatic Voltage Regulating Systems — AVR) điêu 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 thơng qua cáp quang, cáp đỏng trục với chuẩn ARCnet
II.2.Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000
Cĩ 2 bộ điều khiển điên áp, một bộ cĩ chức năng dự phịng (cĩ thể lựa chọn) Tín hiệu đầu vào được xử lý số bao gồm:
ø_ Điện áp 3 pha © Dong dién 3 pha
-_ Các chức năng điêu khiển bổ sung được thực hiện bằng phần mềm, khơng cần bổ sung thêm phản cứng
- _ Dễ dàng mở rộng thêm đầu vào ra tương tự và 36 vi bus ARCnet
Trang 20- _ Cĩ chức năng tự động ghi chép lại các sự kiện và các lỗi với tính thời gian thực - _ Cĩ khả năng truy nhập từ xa thơng qua các giao thức chuẩn như
© Modbus, Mobus+, Profibus
- Bé chuyén déi céng suất (Power Converter) được dự phịng Cĩ thể lên tới 8 bộ chu cơng suất được kết nĩi song song Sự dự phịng độc lập với cáu hình
điều khiển
-_ Bộ chuyến đối cơng suất được trang bị một thiết bị giám sát và hiển thị bao gồm:
© Giam sat dong vao thyristor © Giam sat va điều khiển quạt
© Giam sat cau chì, nhiệt độ bộ chuyễn đối cơng suất, luồng giĩ làm mát
ø_ Hiển thị dịng qua cau thiristor
- Mot Panel điểu khiển được sử dụng đễ điều khiển hệ thống, hiễn thị các thơng số của máy phát, với khoảng cách lên tới 300m
- _ Một phân mềm CMT được sử dụng để giám sát va chdn đốn từ xa các lỗi gây ra cho hệ thơng
II.3.Cầu hình hệ thống UNITROL 5000
Hệ thống kích thích tĩnh UNITROL 5000 được thiết kế trên cơ sở ghép nổi các module
được chế tạo riêng biệt
Hệ thống lách thích tính được xây dựng trên cơ sở ghép nối các ngăn module chức năng (hình II.)
Ngăn thứ nhất chứa các bộ điều khiển, cắp nguồn điều khiển và panel điều khiển - hiển thị Ngăn tiếp theo là ngăn cáp nguồn chính cho mạch lực bao gồm máy cắt chính, thiết bi đo phía xoay chiều, Tiếp nứa là một hoặc nhiêu bộ chuyển đổi cơng suất dùng câu sáu Thyristor trong một hoặc nhiều ngăn, ngăn cuối là phần bảo vệ diệt từ (Crowibar), mạch mơi ttr (Field Flashing) va phan dau ra mot chigu
Sự trao đỗi dữ liệu dứa các bộ điều chỉnh, giữa các thanh phan bé chuyén déi cơng suất và với các thiết bị hiển thị được thực hiện thơng qua bus nồi tip ARCnet
Các Panel điều khiển cĩ thể đặt và thao tác với khoảng cách lên tới 100m thơng qua cáp quang
13.1 Khơi chuyên đơi cơng suất
UNITROL 5000 sử dụng hoặc bộ chuyển đổi cơng suất kiểu DCS500 hoặc UNL 13300 Kiểu và số bộ chuyển đổi cơng suất mắc song song dựa trên yêu cầu về điện áp tran va chu kỷ làm việc lớn nhất đổi với hệ thống
Các chọn lựa cĩ thể được đáp ứng theo
Trang 21Field flashing, Crowbar Hình II.1: Hệ thống tủ kích thích tĩnh - _ Mức độ làm mát tự nhiên hoặc cướng bức - _ Các quạt làm mát dự phịng
-_ Khả năng thực hiện cơng việc bảo dướng mỗi bộ chuyển đổi cơng suất trong trong khi hệ thơng đang làm việc (với 5 cực cách ly)
Bộ chuyển đổi cơng suất điều chỉnh phân bồ tổng dịng giữa các đơn vị tích cực, điều nây cĩ thế ngăn cản sự quá tải đối với mỗi nhánh Thyristor và giảm tính lỗi cho bộ chuyễn đối cơng suất riêng biệt
11.3.2 Kh6i mơi từ (Field Flashing) và diệt từ (Crowbar)
= tưới Chức năng chính là tạo từ trường ban
Khối! mơi từ đầu cho hệ thống khi từ dư trong roto
È máy phát khơng đủ, diệt từ trong các
trường hợp đặc biệt, như cắt kích từ đột
ngột, sự cố roto hoặc ngắn mạch từ lưới
Trang 22IU.3.3.Khối điều chỉnh điện áp AVR UI lí CH 1 : CH 2 Ni [ove] Hình II3: Tủ điều khién (COB)
Khối (bộ) điêu chỉnh điện áp được xây dựng trên cơ sở ký thuật Vi xử lý, sử dụng cơng nghệ ký thuật số và thực hiện bởi phan mềm UNITROL 5000 Đặc trưng nổi bật của UNITROL 5000 đĩ là sự mở rộng bố sung các chức năng được thực hiện bằng phan mêm và khơng cần bố
sung thêm các thiết bị phần cứng Hầu hết các chức năng của UNITROL được thực hiện bằng phần mềm Phản mềm Hình II.8: Card
chuẩn được đưa ra bao hàm nhiễu chức năng tạo sự hoạt động én đnh cho hệ thống kích thích, bao hàm cả các bộ ghi chép dứ liệu tự động, các sự kiện chắn đốn và bảo dưỡng
1L3.3.1.Chức năng đâu chỉnh
- _ Bộ điều chỉnh điện áp với PID (chề độ điều khiển tự đơng)
- _ Bộ điều chỉnh dịng kích thích với FI (Chế độ điều khiển bằng tay) - _ Chức năng bù tải phản kháng, hoặc bù độ dốc khi cĩ tải tác dụng
-_ Chức năng chuyến đổi giữa các kênh điều khiển, giữa các chế độ hoạt động thường trực/dự phịng
lộ hoạt đơng tự động/bằng tay
ơ ỗn định hệ thơng cơng suất phù hợp với IEEE-PSS2A - _ Bộ ơn định hệ thồng cơng suất tự thích nghỉ
- _ Bộ ơn định hệ thống cơng suất nhiều dải
mo
Trang 231L3.3.2 Chúc năng giám sát v: ~ _ Thời gian tăng kích thích
- Bảo vệ quá dịng (tức thờii thời gian) -_ Bảo vệ Volts/Hertz
- Bao vé mat kich thích
- _ Nhiệt độ bộ chuyễn đổi cơng suất ~_ Nhiệt độ Rotor
- Giam sat su dan thyristor
- _ Giám sát cẩu chì của bộ chuyến đối cơng suất - _ Giám sát quạt của bộ chuyến đối cơng suất - _ Giám sát mạch đo lường
- _ Chức năng giám sát và bảo vệ được phân lớp theo 3 mức khác nhau o_ Chỉ hiện thị
ø_ Chuyển đổi kênh hoạt động đến thứ 2 hoặc bộ điểu chỉnh dự phịng hoặc dùng bộ chuyến đối cơng suất dự phịng
Đĩng ngắt tức thời cả hệ thơng kích thích
1L3 3,3 Chức năng ghị dữ liêu
Phản mềm UNITROL 5000 cĩ một bộ ghi các sự kiến (ghi chép tự động lỗi), nĩ cĩ thẻ ghỉ tới 100 sự kiện và cảnh báo với thời gian thực Các sự kiện này được đọc và phân tích voi Panel điều khién ho&c mot phan mém CMT
Cĩ đến 6 tin higu do c6 thé durge ghi chép trong thời gian thực với bộ ghi chép dứ liệu (Bộ ghi chép tự động dứ liệu) Các dữ liệu này cĩ thế được hiến thị trên màn hình trong phan mềm hoặc hình LCD riêng
1L3 3.4 Chức năng giám sát bộ xử lý
Sau khi bộ cung cấp cơng suất được chuyển mạch on, bộ xử lý bắt đâu quá trình tự kiểm tra Bộ xử lý cũng giám sát sự biến đổi của điện áp cung cấp cơng suất
Card xử lý cĩ chức năng watchdog giám sát chính xác sự vận hành của chương trình
1.3.3.5 Chúc năng điều khiễn bn định \q cơng suất (ESS:
Mục đích của PSS là cải thiện sự én định của nguồn bằng cách cản lại sự dao động của tải
PSS được thực hiện bởi bổ sung vào đâu vào của bộ điều chỉnh điện áp, mang lại hiệu quả lớn đối với hệ thống kích thích tính, nhưng cũng cĩ hiệu quả cho hệ thống kích thích quay ABB đưa ra 3 kiểu khác nhau của PSS
- _ PSS phù hợp với IEEE
Với PSS phù hợp với 1EEE-PSS2A, cĩ định các đồi sĩ được xác định bởi sự tối ưu sự cản với bộ lọc điều chỉnh leadfag Đề xác định các đối số này, ABB cĩ một phản mềm tính tốn để lấy số liệu máy phát và dứ liệu hệ thống kích thích, cũng như máy biến áp và độ cảm kháng của lưới
Trang 24- _ Bộ ơn định hệ thống cơng suất thích nghi (APSS)
Bộ ốn định hệ thống cơng suất thích nghỉ (APSS) làm việc với các đối số biến đối được tính tốn liên tục với các điễm làm việc và trạng thái dịng của hệ thống cơng suất Với UNITROL 5000, khơng cần phải bỗ sung phần cứng như UNITROL P
- Bộ én định hệ thơng cơng suất đa dải (MBPSS)
Thay vì một bộ lọc LEAD/LAG, MBPSS cĩ 3 dải điều chỉnh làm việc riêng lẻ Đảm bảo làm việc hiệu quả trên một dải tần số rộng 0.05 4.0Hz Ba dải được thiết kế đễ ngăn
cản các dao động từ trường tại tần số thắp, trung bình và cao
Bộ dn định hệ thống nguồn là đặc thủ tiêu chuẩn của hệ thống UNITROL500 Chức năng này được thực hiện trong phần mềm của card đo lường Mục đích của PSS là thiết lập một tín hiệu ổn định được yêu cầu để cải thiên làm giảm dao động của máy đơng bộ và dao động của hệ thống nguồn, vì thế để đĩng gĩp ổn định hồn tồn hệ thống Thuật tốn điều khiển của PSS là dựa trên cơ sở tiêu chudn IEEE Std.421-Type 2A
Sự dn định tin hiệu phù hợp với kết quả tín hiệu nguồn tăng từ sự kết hợp các tin hiệu đâu vào lưới điện (Pe) và tân số gĩc rotor (Aø) Tín hiệu ra được đưa tới bộ điều khiển AVR Hình II.6 Dưới đây mơ tả tồn bộ các hàm truyền và sự tính tốn đây đủ cho tính năng PSS - E Trong đĩ: Pe: tín hiệu đầu vào lưới điện Am: tần số gĩc rotor Txx, Kxx: Hằng số thời gian và hệ số của các khối Hình IL6: Tồn bộ các hàm truyền và sự tính tốn đầy đủ cho tinh nang PSS 3,3,6 Chúc năng tru
Panel phục vụ vận hành (LCP) nĩi với hệ thống thơng qua giao tiếp RS485 Bộ hiển thị 4 line được sử dụng để chỉ chức năng của hệ thống, các đồi sé của hệ thống, giá trị đo lường, các báo hiệu dang text Hệ thồng kích thích cĩ thế được điều khiển thơng qua các phím Push-buttons
Trang 25Panel diéu khién LCP cĩ thể được sử dụng cho bộ điều khiển tại chỗ, hặc từ
xa Kết nối truyền thơng với bộ điều
khiển qua chuẩn ARCnet LCP được sử dụng để điều khiển hệ thống, hiển thị các gia tri hiện thời như điện áp và dịng điện Satator, điện áp và dịng điện rotor, cơng suất P, Q, tân số và các sự kiện trong quá trình vận hành
UNITROL 5000 cĩ thể được kết nối tới máy tính với phân mềm CMT và thơng
qua một kết nối quang Điểu này đảm
bảo truyền thơng nhanh với hệ thơng kích thích Các thao tác điều khiến hệ
Trang 26CHƯNG III THIẾT KÉ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
Quy trình cơng nghệ chế tạo hệ thơng điều khiển kích thích fĩnh
Nội dung cơng việc Ngườii đơn vị thực hiện
fi
a
Tơng quan về hệ thơng kích thích
máy phát của nhà máy điện Nhĩm thiết kế, nghiên cứu ae Khảo sát lựa chọn mẫu Nhĩm thiết kế, nghiên cứu =~ Thiết kế và xây dựng quy trình
cơng nghệ Nhĩm thiết kế, nghiên cứu
se
Nghiên cứu xây dựng phần mềm
điều khiển hệ thống kích thích Nhĩm thiết kế, nghiên cứu H_ Thiết kề chế tạo phần cứng kích thích Nhềm thiết kể, nghiên cứu, Xỉ nghiệp Cơ - Điện tử _——
Lắp ráp chạy thử hệ thống Xí nghiệp Cơ - Điện tử, Nhĩm
thiết kế, nghiên cứu Hiệu chỉnh hồn thiện hệ , nghiên cứu Chạy thử nghệm tại nhà máy phát
Trang 27CHƯƠNG IV: THIẾT KÉ HỆ THĨNG ĐO LƯỜNG, ĐIÊU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KỸ
THUAT SO
Sau khi nghiên cứu tìm hiểu về hệ thồng kích thích tính máy phát loại UNITROL5000 của hãng ABB, chúng tơi lựa chọn thiết kế hệ thống điều khiển kích thích ứng dụng cho các máy phát điện cơng suất trung bình và nhỏ, làm chủ cơng nghệ, thay thề hàng nhập ngoại Các thơng số cần kiểm sốt đĩ là giá trị điện áp tai đầu cực máy phát, của lưới khi máy đá được hịa, giá trị dong dién Stator, cơng suất phản kháng Q, hệ số cơng suất cose, gid tri dong dién Rotor, điện áp Rotor Sở dĩ chúng tơi chọn thiết kế hệ thống này là trên cơ sở nội địa hĩa sản phẩm, cạnh tranh hàng nhập ngoại và vì
Ngành Điện là ngành hiện đang phát triển rất manh mế và hiện là trong nhĩm ngành ấn đầu về tĩc độ trăng trưởng cũng như nhu cầu cáp bách của Nhà nước đề ra Đặc biệt việc phát triển những nhà máy thủy điện cơng suất trung bình và nhỏ đang được Nhà nước khuyến khích xây dựng
Hiện nay nhiêu cơng ty Nhiệt điện và Thủy điện cũng đã và đang sử dụng hệ thống điều khiển kích thích tính máy phát với độ ổn định và hiệu suất rất cao nên chúng tơi cĩ thé dễ dàng so sánh, đánh giá thiết bị với phương pháp điều khiển này so với các hệ kích thích quay trước đây
Sau đây chúng tơi xin trình bay vé thiết kế hệ thơng trong đẻ tài này
IV.1 Thiết kế mơ hình hệ thống
IV.1.1 Mục tiêu chung khi thiết ké hệ thơng
Mục tiêu chung khi thiết kế hệ thơng điều khiển kích thích tĩnh cho ngành điện là đảm bảo các tính năng sau
a) Tinh mở của hệ thơng
Cho phép mở rộng, nồi ghép thêm các loại thiết bị khác nhau và phát triển thêm các chức năng phần mềm quản lý, giám sát, điều hành chung trên cùng hệ thống Ngồi ra hệ thống cũng cần được sử dụng cơng nghệ tiên tiến phù hợp với su thế phát
triển trong cơng nghệ
b) Tinh linh hoạt của hệ thống
Trang 28
Hệ thống phải là một bộ phận trong hệ thống tự động hĩa quản lý, điều hành chung của ngành điện Điêu này được thễ hiện thơng qua việc hệ thống cĩ khả năng kết
nối mạng Internet
Trên cơ sở những yêu câu đặt ra khi thiết kế hệ thống, chúng tơi xây dựng mơ hình tỗng thế chung như sau: Hệ thơng được xây dựng trên cơ sở mơ hình phân cấp, theo đĩ hệ thơng được phân ra làm 3 cấp chính:
+ Cấp điều hành quản lý: bao gồm thiết bị điểu khiển trung tâm (từ xa) đặt tại trung
tâm điều hành sản xuất và máy tính được phép truy cập thơng qua các chuẩn truyền thơng cơng nghiệp và mạng LAN
+ Cấp điêu khiến tại chỗ: (tại trạm điều khiễn tại chỗ] Đo lường, giám sát, điều khiễn tại chỗ
+ Cấp thiết bị hiện trường Hệ thống máy phát, các biến áp lực và đo lường, các máy ngắt cấp nguồn lực và nguồn điều khiến các tín hiệu trạng thái làm việc của thiết bị được đưa về trạm điều khiến tại chỗ
IV.1.2 Quan điểm tt
kế thiết bị điều khiển trung tâm:
Thiết bị điều khiển trung tâm cân cĩ các yêu câu sau
-_ Quản lý: Lưu trứ dứ liệu lên quan phục vụ việc báo cáo tỗng hợp, phân tích, cũng như nguồn cung cấp dứ liệu cho các hệ thơng khác
-_ Điêu khiển: Cho phép hệ thống chạy/ dừng và đặt các thơng số theo yêu câu sản
xuất
-_ Giám sát, cảnh báo: Giám sát hoạt động của hệ thơng, các thơng số đo và cảnh báo các lỗi và nguyên nhân lỗi của hệ thống kế hệ thống w Quan điểm thiết kế thiết bị điều khiển tại chỗ (điều khiển tại chỗ và thiết bị chấp hành) -_ Cĩ chức năng chính vẻ tiếp nhận tín hiệu điều khiến từ thiết bị điều khiển trung tâm
- Quan ly: Lưu trứ dứ liệu lên quan phục vụ việc báo cáo tỗng hợp, phân tích, cũng như nguồn cung cấp dứ liệu cho các hệ thơng khác
-_ Điêu khiển: Cho phép hệ thống chạy/ dừng và đặt các thơng số theo yêu câu sản
xuất
-_ Giám sát, cảnh báo: Giám sát hoạt động của hệ thơng, các thơng số đo và cảnh báo các lỗi và nguyên nhân lỗi của hệ thống
-_ Thực hiện các việc chuyễn đổi, tác động chính theo các lệnh điều khiển từ xa và
tại chỗ
~_ Cĩ tính mở, cĩ thễ kết nối vào hệ thống lớn, dễ dàng thêm bớt mở rộng tính năng
và cơng suất
+“ Quan điểm thiết kế cấp thiết bị hiện trường
- Là phân tử trực tiếp cung cấp các tín hiệu đo lường, phản hơi phục vụ cho điều khiển, giám sát
Trang 29
- Các giá trị tín hiệu phải theo chuấi
với các thiết bị tiêu chuẩn tín hiệu cơng nghiệp, đảm bảo tương thích
Quan điểm vẻ yêu câu cơng nghệ truyền thơng nội bộ và trong mạng
-_ Dứ liệu truyền thơng cần đảm bảo an tồn trong khoảng cách truyền hợp lý
- Đường truyền: trao đối tín hiệu giữa các thiết bị điều khiến, giám sát thơng qua
chuẩn truyền thơng S485
~_ Trao đối dữ liệu khơng bị nhiễu, sử dụng cáp chồng nhiễu như cáp đơi dây xoắn, cáp đồng trục vỏ bọc kim hoặc cáp quang (cĩ bộ chuyễn đổi quang/điện)
Quan diém về phần mềm
-_ Xây dựng các giao thức truyền thơng thống nhất thơng qua phát triển các dịch vụ
trao đối dữ liệu giữa các trạm trên đường truyền E485 -_ Xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý và điều hành
-_ Xây dựng phương thức quản lý dữ liệu theo má
-_ Phần mềm trên thiết bị điều khiển trung tâm tự động nhận biết các trạng thái làm
việc của hệ thơng và điều khiển đáp ứng theo yêu cầu
-_ Phân mêm tại thiết bị điều kiến tại chỗ phải luơn cung cấp dứ liệu lên thiết bị điều khiển trung tâm, nhân biết lệnh điều khiển từ thiết bị điều khiển trung tâm và cĩ khả năng hoạt đơng độc lập
IV.1.3 Thơng số yêu cầu đáp ứng của hệ thống
Bảng IV.1 Các thơng số yêu câu đáp ứng của hệ thống kích thích Mức chất lượng Sẽ su ch nhắmvarsHŸ a = lượng
Tên sản phẩm và chỉ tiêu chất | Đơn| Mẫu trương tự ợ TT lượng chủ yếu oe vị đo| ¡ đọ|_ Kết quả T R : sản
đạtđượd Trond | thé gigi} phẩm nước tạo ra a 2 @ @ @ @ a Hé théng diéu khién kich thich 0 nhà máy điện
Dải điện áp điều chỉnh danh định
1 | (Tính theo điện áp định mức đầu | % 406 405
cự máy phát)
Dải điều chỉnh bằng tay của điện
2 | áp đất cho điều chỉnh điện áp tự | #% | 25-110 26-110
động tối thiểu phải đạt
3 _ | Dải điều chỉnh bù tẫn hao lưới % 10 10
4_ | Dải điều chỉnh bù cơng suất phẩn |_ 10 10
khang
Độ chính xác của hệ thống điều
5 | khiễn kích thích (tính theo điện áp | % <06 0.6
định mức đầu cực máy phat)
Trang 30
Thời gian đáp ứng của hệ thống
8 |điều khiển kích thích khơng lớn| S 01 01
hơn
Điện áp cực đại của hệ thắng điều
+ | khiến kích thích khơng nhỏ hơn| » | 2pg 200 đính theo điện áp kích thích định
mức)
Dịng điện cực đại của hệ thống
g | điều khiễn kích thích khơng nhỏ | „, 2n0 2n0
hơn (ính theo dịng điện kích thích định mức)
Thời gian triệt từ lớn nhất để điện
8 áp máy phát về khơng (0) trong | S 1 1
điều kiện cơ sự cổ khơng lớn hon IV.1.4 Thiết kế mơ hình cầu trúc hệ thống Nguồn kích - Mỗi từ, Điều chỉnh Xa nang lượng thich điện áp Bộ chỉnh lưu Khối điêu || ï chink Knéi do LÝ] lường Hình: IV.1 Mơ tả cấu trúc hệ thống Mơ tả phần câu trúc hệ thống
Cầu trúc tồn bộ hệ thống kín bao gồm phần máy phát chính, nguồn cắp kích thích, khối đo lường điều chỉnh điện áp, khối chỉnh lưu điều khiển cơng suất và khối mỗi từ xả năng lượng khi cĩ phản ứng tự cảm hoặc do sự cổ (Hình IV.1) Trong đĩ khối đo
Trang 31lường điều chỉnh, khối chỉnh lưu điều khiến cơng suất và khối mỗi từ/ xả năng lượng là thuộc hệ thống kích thích tính
Phần nguồn cấp kích thích cĩ thể lấy từ ngay đầu cựa máy phát hoặc từ một nguồn tự dùng của hệ thống
Tin hiệu phản hồi điện áp được lầy từ đàu cực máy phát qua máy biền áp đo lường vào khĩi đo Tín hiệu dịng điện kích thích được lấy ngay phản hạ thé trước cầu chỉnh lưu điều khiển cơng suất
Tín hiệu điều khiển được điều chế thành tín hiệu chuẩn bởi khối đo lường và gửi tới khối điều chỉnh, khối điều chỉnh cĩ nhiệm vụ gia cơng, tính tốn (PID) và gửi tiếp đến khối điều khiển cơng suất (cầu chỉnh lưu cĩ điều khiển), nĩ quyết định giá trị dịng điện cáp đền cuộn kích thích là bao nhiêu, tức là giá trị điện áp trên đâu cựa máy phát là bao nhiêu và giá trị cơng suất phản kháng là bao nhiêu nều máy phát được nồi lưới
Các tham số đặt được lập trình và lưu trong bộ điều chỉnh Và việc điều chỉnh tự động sẽ được thực hiện bởi mạch vịng kín
Mơ tả tĩm tắt hoạt động của những khối chức năng chính trong hệ thống Vide mỗi từ được thực hiện theo mơ hình cầu trúc sau
Trang 32Câu trúc hệ điều khiên hai kênh;
Trên cơ sở hệ thồng làm việc cĩ dự phịng bộ điều khiến Trường hợp cĩ một kênh lỗi thì hệ thống sẽ tự động chuyển sang kênh con lai dé dam bao tinh làm việc ơn định của hệ thơng Khối điều chỉnh điện áp tự động (AVR) và khối điều chỉnh dịng điện kích thích tại một kênh luơn đơng bộ với nhau đảm bảo khơng bị quá độ khi chuyển trang thai AVR: Bo tự động điều chỉnh điện áp
FCB: Bộ điều chỉnh kích từ đặt trước COB: Khéi điều khiển
MUB: khĩi đo lường 4U FCR Hình IV.3: Cấu trúc hệ điều khiển hai kênh Cầu trúc khĩi diệt từ: (Crowbar) “m4 - Bao gồm các van bán dẫn mắc ! Cowitar | song song ngược rồi nối nĩi tiếp với RE i ##| j
- Khối này làm việc tự động, khi i :
năng lượng điện áp trên hai đầu et
dây quần cuộn kích thích vượt quá : Tạ
giới hạn cho phép, các van sẽ tự : =
động mở thơng nồi kín mạch xả qua
điện trở RE Hình: IV.4 Khối
Trang 34
IV.2 Nghiên cứu xây dựng phản mèm hệ thống kích thích
Trang 36Các chế độ làm việc của máy phát:
Máy phát cĩ ba chế độ làm việc như sau - _ Máy phát làm việc khơng tải
- _ Máy phát làm việc cĩ tải và cĩ hịa lưới - _ Máy phát làm việc cĩ tải độc lập
Khi làm việc, quan hệ năng lượng trong máy phát nĩi riêng và máy đồng bộ nĩi chung được thể hiện như trong hình IV.8 Tát cä những thơng số làm việc phải nằm trong phạm vi giới hạn cho phép Trên cơ sở các giới hạn, việc triển khai viết chương trình cho điều khiển, bảo vệ là rất cần thiết Cơng suất P` tác dụng Cơng suất danh định Giới hạn gĩc tài áy phá „ kích từ -Š \ XY Gus tion +O ong ơn r Động cơ i 2
Hinh IV.8 : Dé thi quan hệ năng lượng trong máy đồng bộ
Trên cơ sở đáp ứng việc trình tự hoạt động của phần điều khiến, và theo yêu cầu cơng nghệ chúng tơi đưa ra hệ thống sơ đỏ logic như sau