Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện

Tiếp theo sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các mạch tích phân tín hiệu tương tự, chức năng điều khiển, bảo vệ, luận lý cũng được thực hiện bằng các tín hiệu số, nhờ vậy hệ thống kích

Mục đích thực hiện đề tài

 Vai trò của hệ thống kích từ trong việc nâng cao hiệu quả của hệ thống điện được phát triển liên tục Hệ thống kích từ đầu tiên được điều khiển bằng tay để duy trì điện áp và công suất phản kháng ở đầu ra của máy phát như mong muốn

Tiếp theo sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các mạch tích phân tín hiệu tương tự, chức năng điều khiển, bảo vệ, luận lý cũng được thực hiện bằng các tín hiệu số, nhờ vậy hệ thống kích từ hiện nay có tính linh động cao, hệ thống làm việc hoàn toàn tự động và cho đáp ứng nhanh, cho phép thực hiện dễ dàng các công nghệ điều khiển phức tạp và giao tiếp với các chức năng điều khiển, bảo vệ của các máy khác

 Do vận dụng những kinh nghiệm có sẵn về quản lý, vận hành, sửa chữa, bảo trì các thiết bị, nên sự phát triển các nguồn điện thường được lắp đặt, mở rộng ở các nhà máy đang vận hành Chính vì vậy ở các nhà máy điện hiện nay đang vận hành đồng thời các hệ thống kích từ có công nghệ từ những năm 60 đến nay Mục đích của đề tài “Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện” nhằm ôn lại kiến thức về các hệ thống kích từ; khảo sát sự làm việc của hệ thống kích từ bằng phần mềm mô phỏng, so sánh với quá trình làm việc thực tế để làm tài liệu đào tạo, tham khảo thực tế của máy phát S1 nhà máy Ô Môn I.

Nội dung và phạm vi đề tài

Nội dung đề tài

 Khảo sát lý thuyết hệ thống kích từ cho máy phát điện;

 Nguyên lý làm việc của các bộ phận thuộc hệ thống kích từ;

 Mô phỏng bằng Simulink-Matlab và so sánh với thực tế các chế độ làm việc của hệ thống kích từ của máy phát điện trong nhà máy điện.

Phạm vi đề tài

 Phần lý thuyết liên quan đến các tổ máy hiện có tại Công ty Nhiệt điện Cần Thơ

 Các sơ đồ, thông số thực tế lấy được từ tài liệu của nhà chế tạo, lúc chạy nghiệm thu sau lắp đặt, trong các đợt thử nghiệm sau khi sửa chữa và trong quá trình vận hành bình thường.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ

Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ

 Kích từ là yếu tố rất quan trọng của máy phát điện, bởi vì tính làm việc ổn định và đảm bảo của máy phát điện phụ thuộc rất nhiều vào tính làm việc và đảm bảo của hệ thống kích từ Vì vậy, đối với hệ thống kích từ đề ra những yêu cầu sau:

 Hệ thống kích từ cần phải cung cấp đảm bảo dòng kích từ cho máy phát không những trong điều kiện làm việc bình thường mà cả khi sự cố trong hệ thống;

 Trong chế độ làm việc bình thường hệ thống kích từ phải được tự động điều chỉnh ổn định khi phụ tải của máy phát thay đổi từ không đến định mức, khi đó điện áp đầu cực của nó dao động trong giới hạn ± 5%;

 Tác động nhanh là yêu cầu rất quan trọng liên quan chặt chẽ đến khả năng ổn định động của hệ thống Thông thường vận tốc kích từ của một hệ thống kích từ không được thấp hơn 2Ufđm/s tức trong 0,5 giây thì điện áp kích từ (Uf) phải tăng từ không đến điện áp kích từ định mức (Ufđm);

 Hệ thống kích từ cần phải đạt được điện áp kích từ lớn nhất có thể có trong thời gian nhất định để đảm bảo phục hồi sự làm việc bình thường sau khi giải trừ sự cố Đại lượng điện áp kích từ cưỡng bức giới hạn (Ugh) lớn nhất xác định bởi quá điện áp cho phép của mạch kích từ Thông thường điện áp giới hạn khi kích từ cưỡng bức của một hệ kích từ không được thấp hơn 2Ufđm Dòng điện kích từ lớn nhất khi kích từ cưỡng bức giới hạn phụ thuộc vào phát nóng cho phép của Rotor

Thời gian duy trì dòng này phụ thuộc kiểu kích từ và bằng khoảng 20 đến 50 giây, thời gian duy trì kích từ giới hạn là đại lượng rất quan trọng để đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch trong lưới

 Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng 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 thông qua việc điều khiển điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ

 Chức năng các khối điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống

 Chức năng các khối bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không vượt quá giới hạn.

Phân loại và nguyên lý hoạt động của hệ thống kích từ máy phát điện

Hệ thống kích từ được phân loại dựa trên nguồn của máy kích từ chính cấp cho cuộn rotor của máy phát điện, có 3 loại chính sau:

1.2.1 Hệ thống kích từ một chiều

Dòng điện kích từ cho rotor máy phát điện được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp ra của máy phát một chiều và đưa vào cuộn dây rotor thông qua các vòng trượt, đây là nguồn kích từ chính Máy kích từ chính được kéo cùng trục với máy phát và nhận nguồn kích từ từ bộ kích từ nhỏ còn gọi là kích từ phụ, thường là máy phát nam châm vĩnh cửu như hình 1.1 Hệ thống kích từ một chiều là hệ thống ra đời sớm nhất, các thiết kế mới hiện nay không còn sử dụng nữa và chúng được thay thế bằng hệ thống kích từ xoay chiều

1.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều

Dùng Máy phát điện đồng bộ để kích từ cho máy phát điện gọi là hệ thống kích từ xoay chiều Thường máy kích từ được lắp cùng trục với trục turbine máy phát, điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được chỉnh lưu có điều khiển hoặc không có điều khiển để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trường của máy phát Các thiết kế hiện nay thường gồm một máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh, phần ứng là phần quay, kết hợp với bộ chỉnh lưu quay lắp đặt ngay trên trục Do đó, dòng điện kích từ sẽ đi trực tiếp từ phần ứng của máy kích từ phụ kích từ cho máy kích từ chính, kích từ chính sẽ kích từ cho máy phát điện thông qua vòng trượt như hình 1.2, hoặc bộ chỉnh lưu quay đặt ở kích từ chính là phần quay sẽ cung cấp dòng kích từ trực tiếp cho cuộn dây rotor máy phát không cần vòng trượt như hình 1.3 đây còn được gọi là hệ thống kích từ không chổi than

1.2.3 Hệ thống kích thích tĩnh

Hệ thống kích thích tĩnh là loại sử dụng phối hợp biến áp kích từ và bộ chỉnh lưu Tất cả các phần tử trong hệ thống này đều đứng yên Các bộ chỉnh lưu tĩnh được điều khiển hoặc không được điều khiển, cung cấp dòng kích từ trực tiếp cho từ trường máy phát chính nhờ các vòng trượt Năng lượng cấp cho bộ chỉnh lưu được lấy từ máy phát chính qua máy biến áp giảm áp xuống cấp thích hợp Đối với loại máy kích từ có sử dụng Thyristor cho mạch chỉnh lưu gọi là hệ thống kích thích thyristor như hình 1.4 Hệ thống này có hằng số thời gian rất nhỏ Điện áp ra cực đại của bộ kích từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ở ngõ vào Vì vậy, khi hệ thống bị sự cố sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống và dẫn đến điện áp đầu ra bộ kích từ có thể giảm theo Hạn chế này của hệ thống kích từ, được bù bằng đáp ứng gần như tức thời và khả năng thay đổi từ trường cưỡng bức cao Ngoài ra, nó có thể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền.

Các thiết bị chính của hệ thống kích từ

1.3.1 Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR)

Bộ điều chỉnh điện áp tự động có các nhiệm vụ sau:

1.3.1.1 Điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát điện

Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện, và so sánh nó với một điện áp tham chiếu Nó phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích từ sao cho sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này

1.3.1.2 Điều khiển công suất vô công của máy phát điện

Khi máy phát chưa phát điện vào lưới, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ thay đổi điện áp đầu cực máy phát Quan hệ giữa điện áp máy phát đối với dòng điện kích từ được biểu diễn bằng 1 đường cong, gọi là đặc tuyến không tải (đặc tuyến V-A) Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào một lưới có công suất rất lớn so với máy phát, việc tăng giảm dòng kích thích hầu như không làm thay đổi điện áp lưới Tác dụng của bộ điều áp khi đó không còn là điều khiển điện áp máy phát nữa, mà là điều khiển dòng công suất phản kháng của máy phát Khi dòng kích từ tăng, công suất vô công tăng, khi dòng kích thích giảm, công suất vô công giảm

Dòng kích thích giảm đến một mức độ nào đó, công suất vô công của máy sẽ giảm xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại nếu dòng kích từ tiếp tục giảm thêm Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát quá nhạy, có thể dẫn đến sự thay đổi rất lớn công suất vô công của máy phát khi điện áp lưới dao động Do đó, bộ điều khiển điện áp tự động, ngoài việc theo dõi và điều khiển điện áp, còn phải theo dõi và điều khiển dòng điện vô công Thực chất của việc điều khiển này là điều khiển dòng kích từ khi công suất vô công và điện áp lưới có sự thay đổi, sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất vô công phải là mối liên hệ hợp lý

Khi khởi động một tổ máy, lúc tốc độ quay của rotor còn thấp, tần số phát ra sẽ thấp Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăng dòng kích thích lên sao cho đủ điện áp đầu ra Điều này dẫn đến quá kích thích, cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp tự dùng sẽ bị quá kích thích, bão hoà từ, và quá nhiệt Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp tham chiếu

1.3.1.4 Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây

Khi máy phát điện vận hành độc lập, hoặc nối vào lưới bằng một trở kháng lớn Khi tăng tải, sẽ gây ra sụt áp trên đường dây Sụt áp này làm cho điện áp tại hộ tiêu thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng

Muốn giảm bớt tác hại này của hệ thống, bộ điều áp phải dự đoán được khả năng sụt giảm của đường dây, và tạo ra điện áp bù trừ cho độ sụt giảm đó Tác động bù này giúp cho điện áp tại một điểm nào đó, giữa máy phát và hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải Điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm đôi chút so với tải, trong khi điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đôi chút so với tải Để có được tác động này, người ta đưa thêm một tín hiệu dòng điện vào trong mạch đo lường Dòng điện của một pha (thường là pha B) từ thứ cấp của biến dòng đo lường sẽ được chảy qua một mạch điện R và L, tạo ra các sụt áp tương ứng với sụt áp trên R và L của đường dây từ máy phát đến điểm mà ta muốn giữ ổn định điện áp Điện áp này được cộng thêm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện áp đầu cực máy phát đã đo lường được Bộ điều áp tự động sẽ căn cứ vào điện áp tổng hợp này mà điều chỉnh dòng kích từ, sao cho điện áp tổng hợp nói trên là không đổi

1.3.1.5 Cường hành kích từ khi có sự cố trên lưới

Hệ thống kích từ có khả năng thực hiện các chức năng chính xác trong khoảng thời gian có các nhiễu loạn quá độ, ví dụ như ngắn mạch trên hệ thống điện cao áp, thông thường thiết bị bảo vệ sẽ giải trừ sự cố trong 0,125s Thêm vào đó, nó sẵn sàng gia tăng kích từ nếu được yêu cầu

Khi máy phát điện được cắt khỏi lưới, cần phải nhanh chóng tự động diệt từ trường cuộn kích từ, nhất là khi ngắn mạch trong khu vực bảo vệ của máy phát điện khi đó máy cắt đầu cực của nó phải cắt ra nhưng chỉ mới loại trừ được thành phần dòng ngắn mạch do hệ thống và các máy phát làm việc song song với nó cung cấp

Trong máy phát điện vẫn còn tồn tại thành phần dòng ngắn mạch do bản thân nó cung cấp vì máy phát vẫn còn đang được kích từ và quay theo quán tính mặc dù nguồn cung cấp cho turbine đã bị cắt Để loại trừ thành phần dòng ngắn mạch này, cần phải nhanh chóng tự động giảm dòng kích từ xuống, tức là diệt từ trường cuộn kích từ Thời gian diệt từ càng nhỏ, càng hạn chế được những hư hỏng do tác dụng nhiệt gây nên, nhất là khi ngắn mạch trong cuộn dây phần tĩnh Tuy nhiên cuộn kích từ có số vòng lớn nên điện cảm L f lớn, thời gian diệt từ càng nhanh tức đạo hàm của dòng kích từ i f theo thời gian dt di f càng lớn, điện áp tự cảm trên cuộn kích từ dt L f di f càng lớn, làm cho nó quá điện áp càng nhiều Do đó khi thời gian tự động diệt từ càng nhỏ, quá điện áp càng cao Vậy thời gian diệt từ bị hạn chế bởi đại lượng quá điện áp cho phép của mạch kích từ

Diệt từ bằng bộ dập từ trường như hình 1.5 bao gồm một thyristor và một điện trở diệt từ được nối song song với cuộn kích từ máy phát Cổng thyristor được điều khiển bằng chế độ quá điện áp được tạo ra dòng cảm ứng ban đầu không có lối thoát Thyristor cũng dẫn dòng cảm ứng qua điện trở diệt từ

Diệt từ bằng điện trở biến đổi như hình 1.6 là sử dụng một điện trở không tuyến tính được nối song song với cuộn kích từ máy phát, điện trở này nối tắt cuộn kích từ trong chế độ điện áp cảm ứng cao Với điện áp bộ kích từ bình thường, điện trở biến đổi mắc song song có điện trở rất lớn, vì vậy dòng qua nó có thể bỏ qua Khi điện áp hai đầu điện trở tăng đến ngưỡng thì điện trở của nó giảm theo và dòng điện qua nó tăng rất nhanh Vì thế, điện trở biến đổi cung cấp một điện trở nhỏ làm đường dẫn cho dòng kích từ cảm ứng và giới hạn điện áp hai đầu cuộn kích từ và máy kích từ.

Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ

1.4.1 Chế độ làm việc bình thường, đặc tuyến khả năng P – Q của máy phát

1.4.1.1 Đồ thị vectơ máy phát điện đồng bộ

Chế độ làm việc bình thường là chế độ đồng bộ ổn định, vận tốc rotor và từ trường quay phần tĩnh cùng bằng vận tốc đồng bộ nhờ cân bằng giữa mômen cơ và mômen điện Trong chế độ làm việc bình thường các thông số làm việc của máy phát không được vượt ra ngoài giới hạn cho phép

Khảo sát một máy phát điện cực ẩn với giả thiết máy phát làm việc song song với hệ thống vô cùng lớn có điện áp không đổi và bỏ qua điện trở của cuộn dây stator Ta có đồ thị vectơ như hình 1.7 được xây dựng từ phương trình cân bằng điện áp của máy phát

Từ hình vẽ ta thấy: AB = ACcosφ = IX d cosφ= UIcosφ

= const nên P tỷ lệ với AB Nhận thấy khi I = 0 thì P = 0 điểm A và B trở về trùng với C nên C là gốc của trục công suất P, do P luôn dương nên trục P chỉ ở phía trái của C và là trục CX

Mặt khác: AB = OAsinδ = Esinδ Suy ra: IXd cosφ = Esinδ Nhân thêm U cho hai vế ta có: IUcosφX d = EUsinδ

Tương tự ta có: CB = ACsinφ = IXd sinφ= UIsinφ

= const nên Q tỷ lệ với CB Nhận thấy khi I = 0 thì điểm A và B trở về trùng với C nên C cũng là góc của công suất Q và trục là OY Khi phụ tải có tính cảm kháng thì B ở phía trên C, tức máy phát điện phát công suất Q > 0 Khi phụ tải mang tính dung kháng thì B ở phía dưới C, tức máy phát điện tiêu thụ công suất Q < 0

Mặt khác: CB = OB – OC = OAcosδ – OC CB = Ecosδ – U

Suy ra: IX d sinφ = Ecosδ – U  UIsinφX d = EUcosδ – U 2

1.4.1.2 Chế độ làm việc khi E = const, P thay đổi

 Do giả thiết máy phát làm việc trong hệ thống vô cùng lớn nên U = const Sức điện động E tỷ lệ với dòng kích từ If cho nên khi ta thay đổi If sức điện động E sẽ thay đổi

 Khi E = const tức vectơ Ė chỉ thay đổi về phương và chiều Do U = const nên điểm O và C trên đồ thị vectơ cố định vì vậy khi Ė thay đổi điểm đầu

A của nó sẽ chạy trên cung tròn O bán kính E = const, cung này bị chặn ở điểm A0 và Agh do góc 0 ≤ δ ≤ 90 0 để bảo đảm điều kiện ổn định như hình 1.8

 Sự thay đổi của P theo δ thể hiện qua sự thay đổi của đoạn AB Trong vận hành khi P thay đổi cần phải thay đổi năng lượng đầu vào động cơ sơ cấp để đảm bảo sự cân bằng giữa momen cơ của turbine và momen điện của máy phát, như vậy máy phát mới tiếp tục làm việc đồng bộ được

 Sự thay đổi của công suất phản kháng được khảo sát theo góc δ như sau:

 Khi δ = 0, điểm A và B trở về A0 lúc đó ta có Q tỉ lệ với đoạn CA0 và là công suất phản kháng lớn nhất mà máy phát có thể phát Q > 0 có thể xác định như sau: d d X

 Khi tăng δ > 0, chẳng hạn đến vị trí tương ứng với vị trí Ė tỉ lệ với OA thì Q tỉ lệ với CB < CA0, tức là Q giảm xuống Khi điểm đầu của Ė đến vị trí A1 tương ứng với góc δ1, điểm B sẽ trùng với điểm C nên Q = 0 Tiếp tục tăng góc δ, dễ thấy rằng từ đây Q bắt đầu đổi dấu Thật vậy ứng với vị trí Ė tỉ lệ với OA2 khi đó Q tỉ lệ với CB1 nhưng B1 ở phía dưới C nên Q < 0 tức máy phát tiêu thụ Q

 Khi δ = 90 0 , thì Q tỉ lệ với CO và là công suất phản kháng lớn nhất mà máy phát có thể tiêu thụ và được xác định như sau: d d X

1.4.1.3 Chế độ làm việc khi E thay đổi, P = const

Muốn điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện khi công suất tác dụng P không đổi ta phải điều chỉnh dòng kích từ như hình 1.9 ta thấy khi thay đổi dòng kích từ If thì trị số sức điện động E sẽ thay đổi và do đó trị số cũng như góc lệnh pha dòng stator cũng thay đổi

Nếu công suất P = 3UIcosφ = const, do điện áp U của lưới không đổi nên trị số Icosφ = const Như vậy khi thay đổi If vectơ İ sẽ thay đổi nhưng có đỉnh chuyển động trên trục X Mặt khác ta có IXd cosφ = Esinδ do đó trị số Esinδ = const nên đỉnh Ė sẽ chuyển động trên trục Y

Theo đồ thị vectơ như hình 1.9 ta thấy khi tăng dòng kích từ thì sức điện động E tăng (vectơ Ė1 lớn) Vì vectơ jXdI1 phải vông góc với vectơ İ1 nên xác định được vị trí của İ1 Vectơ İ1 chậm pha sau U

, máy phát có công suất phản kháng có tính chất điện cảm Khi giảm dòng kích từ Ė1 giảm đến vectơ Ė2 ở vị trí này dòng İ2 trùng pha với U

 tương ứng cosφ = 1, máy phát có công suất phản kháng Q = 0

Tiếp tục giảm dòng kích từ sức điện động sẽ giảm đến vectơ Ė3 và dòng İ3 sẽ vượt trước điện áp U

, công suất phản kháng của máy phát có tính dung kháng jX d İ 1 jX d İ 1 E = Co nst jX d İ 1

1.4.1.4 Đặc tuyến khả năng P – Q của máy phát

Máy phát đồng bộ được định mức trong giới hạn công suất biểu kiến phát ra cực đại và hệ số công suất thường là 0,85 hoặc 0,9 trễ pha mà chúng có thể hoạt động liên tục mà không bị quá nhiệt Khả năng phát ra công suất phản kháng liên tục ở ngõ ra được giới hạn bởi ba yếu tố:

 giới hạn dòng phần ứng;

 giới hạn dòng kích từ;

 giới hạn nhiệt vùng biên

Giới hạn dòng phần ứng:

Khi mang tải máy phát sẽ có dòng điện chạy trong phần ứng Dòng điện phần ứng là một trong những nguyên nhân làm tổn hao công suất RI 2 , năng lượng do tổn hao này gây phát nóng làm tăng nhiệt độ trong dây dẫn stator và toả nhiệt ra môi trường xung quanh Vì vậy một trong những hạn chế của máy phát là dòng cực đại của phần ứng, để không bị vượt quá giới hạn nhiệt làm hư hỏng cách điện của stator, khi máy làm việc ở chế độ định mức, tương ứng với điều kiện công suất biểu kiến định mức ta có:

S 2 = P 2 + Q 2 , đây là phương trình đường tròn với bán kính là S Như vậy trên mặt phẳng P, Q có thể biểu diễn đường giới hạn dòng phần ứng, đó là vòng tròn với tâm tại gốc toạ độ và bán kính bằng công suất biểu kiến định mức S = UđmIđm như hình 1.10

Giới hạn dòng kích từ:

Tổn hao công suất trong cuộn kích từ do điện trở và dòng kích từ là nguyên nhân gây phát nhiệt và cũng là giới hạn trong hoạt động của máy phát

Từ công thức (1.1) và (1.2) ở mục 1.4.1.1 ta có:

Một số mô hình kích từ mẫu theo tiêu chuẩn IEEE

1.5.1 Mô hình kích thích DC

Hình 1.17 Mô hình kích từ DC loại DC1A

Hình 1.17 trình bày bộ kích từ một chiều loại DC1A theo IEEE có thể là kích thích độc lập hoặc tự kích Tín hiệu Vc vào của khối được lấy từ điện áp đầu cực Vt, qua transducer biến đổi, được bù pha và đưa vào bộ cộng để so sánh với điện áp tham chiếu Vref, tín hiệu sai lệch sẽ được khuếch đại và đưa ra để điều khiển kích từ

Tín hiệu điện áp kích từ hồi tiếp và tín hiệu ổn định hệ thống cũng được đưa vào bộ cộng, ở chế độ ổn định hai tín hiệu này bằng không Hệ số TA, KA là hằng số thời gian chính và hệ số khuếch đại để điều chỉnh điện áp Hằng số thời gian TB, TC có thể được dùng để cân bằng với hằng số thời gian có sẵn trong bộ điều chỉnh điện áp, thông thường giá trị này rất nhỏ nên có thể bỏ qua và coi như bằng không Tín hiệu ra VR được sử dụng để điều khiển hệ thống kích từ Khi sử dụng loại tự kích thích giá trị của KE tương ứng với giá trị đặt của biến trở kích từ Vx là tín hiệu ra của khối bão hòa với SE[EFD] có đặc tuyến phi tuyến được chọn từ các giá trị của EFD

1.5.2 Mô hình kích thích AC

Mô hình kích từ AC có chỉnh lưu được trình bày như hình 1.18 là loại AC1A theo IEEE Mô hình này bao gồm kích thích chính là loại chỉnh lưu không có điều khiển và có hồi tiếp là tín hiệu dòng IFD, được áp dụng cho hệ thống kích từ không có chổi than Đặc tuyến chỉnh lưu của diode ứng dụng giới hạn thấp bằng không của điện áp ra hệ thống kích từ Hệ thống này không áp dụng cho loại tự kích từ, có từ trường kích từ được cung cấp từ kích từ phụ nên không ảnh hưởng đến quá độ bên ngoài

Hình 1.18 Mô hình hệ thống kích từ AC loại AC1A

1.5.3 Mô hình kích thích tĩnh

Mô hình kích tích tĩnh được trình bày như hình 1.19 là loại ST1A theo tiêu chuẩn IEEE Mô hình này là loại chỉnh lưu có điều khiển nguồn áp Nguồn kích thích được cung cấp từ máy biến áp lấy nguồn từ đầu cực máy phát, hoạt động linh hoạt nhờ các khối bù pha “lag-lead” hoặc hồi tiếp ổn định KF, TF Hệ số Kc phụ thuộc vào điều khiển chỉnh lưu Mô hình này có khả năng đáp ứng dòng kích thức cao nên có thể sử dụng thêm chức năng giới hạn dòng ngõ ra bằng các hệ số KLR và ILR

Hình 1.19 Mô hình hệ thống kích thích tĩnh loại ST1A.

MỘT SỐ SƠ ĐỒ KÍCH TỪ THỰC TẾ

Sơ đồ hệ thống kích từ một chiều tổ máy S4 nhà máy điện Cần Thơ

MÁY PHÁT ĐIỆN KÍCH TỪ CHÍNH KÍCH TỪ PHỤ

CAO TẦN Nguồn kích từ

BIAS CURENT SOURCE CROSS CURENT

Hình 2.1 sơ đồ hệ thống kích từ tổ máy S4 2.1.1 Thông số kỹ thuật

 Công suất định mức: 40824 kVA;

 Điện áp định mức:13,2 kV;

 Tần số định mức: 50 Hz;

 Tốc độ định mức: 3000 rpm

 Tốc độ định mức: 3000 rpm;

 Tốc độ định mức: 3000 rpm;

Sơ đồ nguyên lý làm việc như hình 2.1 gồm kích từ chính cung cấp dòng kích từ cho máy phát, có hai cuộn được kích từ độc lập từ kích từ phụ và từ khuếch đại quay (HTD) Khi bộ điều thế chưa được đưa vào làm việc (công tắc 41R mở), tín hiệu ra của HTD không được nối tới cuộn kích từ của máy phát Lúc này điện áp của kích từ chính và của máy phát điện được điều chỉnh bằng kích từ phụ thông qua biến trở 70ME Máy phát được kiểm soát điện thế tự động khi tín hiệu ra của HTD được nối tới cuộn kích từ của kích từ chính qua công tắc 41R Mặc khác, điện áp ra của máy phát được cung cấp qua biến điện áp và được chỉnh lưu thành điện áp một chiều tương ứng với giá trị trung bình ba pha của máy phát Giá trị này được so sánh với giá trị chỉnh định bởi vị trí của biến trở 90R Độ lệch được phát hiện trong mạch phát hiện độ lệch điện áp Điều này được thực hiện bằng cách so sánh tín hiệu điện áp máy phát điện và điện áp chuẩn không đổi của diode ổn áp Zener Nhờ bộ khuếch đại từ và khuếch đại quay, tín hiệu độ lệch được khuếch đại thành tín hiệu ra đủ lớn để điều khiển từ trường kích từ máy phát theo chiều tăng hoặc giảm nhằm duy trì điện áp máy phát không đổi

Khuếch đại từ hoạt động dựa trên nguyên tắc phi tuyến của đường cong từ hóa của cuộn dây lõi thép khi làm việc với dòng điện xoay chiều Bằng một tín hiệu một chiều nhỏ ta có thể điều khiển được tín hiệu phụ tải xoay chiều đầu ra

Mạch chống dao động gồm hai biến thế giảm chấn DT1 và DT2 có nhiệm vụ làm ổn định hệ thống

Máy phát cao tần với tần 400 Hz được nối cùng trục với HTD và cung cấp nguồn AC cho khuếch đại từ Đường cong bão hòa của máy kích từ chính và mối liên hệ giữa từ trường kích từ với điện áp kích từ trong hệ thống kích từ có kích từ phụ Một từ trường AT1 được cung cấp từ kích từ phụ là phần kích từ cơ bản tạo ra V0 Bộ điều áp sẽ cung cấp từ trường kiểm soát +AT2 hoặc –AT2, sao cho từ trường tổng cộng của kích từ chính và điện áp ra được điều chỉnh rộng rãi theo cả hai hướng như biểu diễn giá trị V1 và V2 như hình 2.2

Hình 2.2 Đường cong bão hoà của máy kích từ, kích từ độc lập

Sơ đồ hệ thống kích từ AC sử dụng diode quay các tổ máy Gas Turbine nhà máy điện Cần Thơ

Hình 2.3 sơ đồ hệ thống kích từ máy phát GT

 Công suất định mức: 46250 kVA;

 Điện áp định mức: 11 kV;

 Tần số định mức: 50 Hz;

 Tốc độ định mức: 3000 rpm

 Tốc độ định mức: 3000 rpm;

2.2.2.1 Điều chỉnh dòng kích từ:

Sơ đồ nguyên lý làm việc như hình 2.3, nguồn kích từ cho máy phát điện được cung cấp từ máy kích từ có các diode quay được lắp đồng trục với máy phát

Máy kích từ có nguồn cung cấp từ máy biến áp kích từ, cuộn dây sơ cấp lấy từ điện áp stator máy phát, điện áp thứ cấp được chỉnh lưu bằng cầu thyristor và đưa vào phần tĩnh của máy kích từ Nhờ vào cấu tạo đặc biệt của máy kích từ, từ trường được sinh ra của phần tĩnh máy kích từ sẽ cảm ứng lên phần động một sức điện động xoay chiều 5 pha với tần số 200 Hz Diode quay được lắp trên trục của máy phát để biến đổi dòng xoay chiều của máy kích từ thành dòng một chiều và đưa vào rotor máy phát mà không cần chổi than và cổ góp

Nguồn accu 125 VDC sẽ cung cấp cho máy kích từ ở chế độ mồi từ lúc khởi động tổ máy thông qua máy cắt Q03 Nguồn này được cắt khi điện áp máy phát đạt giá trị cài đặt

Nguồn accu 125 VDC còn cung cấp cho máy kích từ ở chế độ cường kích khi điện áp giảm đến mức giới hạn Khi đó máy cắt Q02 đóng để gia tăng kích từ giữ điện áp máy phát

- Đặc tuyến làm việc của hệ thống kích từ như hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tuyến làm việc của hệ thống kích từ 2.2.2.2 Tự động điều chỉnh điện áp

Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) sẽ nhận tín hiệu dòng và áp của stator máy phát điện để:

- Điều chỉnh điện áp máy phát trong phạm vi ± 10% Uđm; - Tăng kích từ nếu điện áp máy phát nhỏ hơn điện áp thấp dưới giới hạn

Trong thời gian hoạt động bộ điều chỉnh điện áp còn nhận tín hiệu dòng kích từ phản hồi về để so sánh và điều chỉnh tạo điều kiện cho điện áp được ổn định

Bộ tự động điều chỉnh điện áp bao gồm nhiều card điện tử kết nối lại với nhau như hình 2.5, mỗi card đảm nhận một chức năng Hệ thống này sẽ ghi nhận tín hiệu điện thế của máy phát, tín hiệu dòng kích từ sau đó nó sẽ so sánh, điều chỉnh lại dòng kích từ sao cho điện thế ngõ ra của máy phát không đổi Chức năng của từng card như sau:

- Card ALS2: Cung cấp nguồn cho các card điện tử của kênh điều khiển tự động, cho cảm biến dòng điện -U10 và các rơle ngõ ra của kênh điều khiển tự động Card này được cấp nguồn từ:

 Máy biến thế kích từ

- Card ALS2: Cung cấp nguồn cho các card điện tử của kênh điều khiển bằng tay, cho cảm biến dòng điện -U11 và các rơle ngõ ra của kênh bằng tay Card này được cấp nguồn 230 VAC

- Card CMS1: Tự động phát ra điện thế tham chiếu (set point) một số chức năng chính của card này là:

 Chế độ hoạt động (External) và (Internal): chế độ này cho phép lần lượt từng lệnh điều khiển tự động và bằng tay được đưa đến ở từng ngõ vào tương ứng

 Lệnh điều khiển bằng tay (chế độ External): chênh lệch điện thế điều khiển giữa hai kênh tự động và bằng tay (UCA và UCM) được chuyển đến card RS1 để điều chỉnh lại điện thế UCA bằng với UCM

 Lệnh điều khiển tự động (chế độ Internal): Các lệnh tăng hoặc giảm kích từ được đưa vào để kiểm soát giá trị điện áp tham chiếu và được đưa đến card RS1

 Chức năng đặt sẵn (Preset): điện thế tham chiếu tự động được đặt sẵn khi máy cắt kích từ đóng, hoặc máy cắt đầu cực máy phát mở Việc này cho phép máy khởi động đến một giá trị điện áp danh định đã được chọn trước

- Card RS1: Card điều chỉnh điện thế Card này phát ra điện thế cho kênh điều khiển tự động UCA, điện thế này cùng với các tín hiệu cung cấp từ các card CMS1, LSES và LUF2, các tín hiệu này được cộng lại và khuếch đại lên để đưa ra tín hiệu điều khiển Tín hiệu phát ra là điểm đặt (set point) của dòng kích từ Điểm đặt này có giới hạn cố định và một giới hạn mức cao Giới hạn này được quyền tham gia vào trong trường hợp điện thế máy phát có sự thay đổi nhanh hoặc khi điện thế máy phát xuống dưới mức giới hạn thấp Điện thế máy phát (UST) được chuyển đến card ASEX1, card này cung cấp tín hiệu tăng cường kích thích (boosting) khi điện thế máy phát giảm dưới mức giới hạn thấp Giới hạn dòng kích từ: (110% giá trị định mức) được hiển thị bằng đèn Led trên card

- Card LSES: Giới hạn mức kích từ thấp, ngăn ngừa máy phát mất kích từ

Giới hạn mức thấp của của dòng kích từ được hiển thị bằng Led

- Card LUF2: Giới hạn V/F, Card giới hạn tỷ số điện thế và tần số (V/F), giới hạn này được thực hiện bằng cách ghi nhận tỷ số V/F của điện thế máy phát so sánh với điện thế tham chiếu đã điều chỉnh trước đó Một rơle ngõ ra dùng để đóng mồi từ (Flashing) trong quá trình khởi động đen Tiến trình mồi từ được ngắt ngay khi giá trị V/F đạt được giá trị đã chỉnh định trước đó Giới hạn V/F được hiển thị bằng đèn Led

- Card RIEX: Điều chỉnh dòng kích từ, Card RIEX điều chỉnh dòng kích từ bằng cách kiểm soát tín hiệu UCM ở ngõ ra Tín hiệu điều khiển của ngõ ra UCM phụ thuộc vào điện thế tham chiếu từ card CMS1 và tín hiệu dòng kích từ của cảm biến dòng điện -U11 Chức năng thứ hai là sử dụng trong suốt quá trình điều chỉnh tự động giúp duy trì điện thế ngõ ra UCM cân bằng với điện thế ngõ vào UCA để khi chuyển từ chế độ AUTO sang Manual vẫn bảo đảm ổn định dòng kích từ

Sơ đồ hệ thống kích từ AC sử dụng kích từ tĩnh tổ máy S1 nhà máy điện Ô Môn

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống kích từ tổ máy S1 2.3.1 Thông số kỹ thuật

Thông số máy phát điện

 Công suất định mức: 410 MVA;

 Điện áp định mức: 16kV;

 Tần số định mức: 50 Hz;

 Tốc độ định mức: 3000 rpm

 Hệ thống chỉnh lưu toàn cầu 3 pha có điều khiển

 Điện áp sơ cấp: 16 kV

2.3.2.1 Điều chỉnh dòng kích từ

Tổ máy S1 sử dụng nguyên lý kích từ tĩnh để cung cấp nguồn DC cho cuộn dây rotor máy phát Hệ thống này bao gồm: biến áp kích từ, cầu chỉnh lưu thyristor, bộ tự động điều chỉnh điện áp, máy cắt kích từ và điện trở diệt từ Nguồn kích từ được lấy từ đầu cực máy phát qua biến áp kích từ giảm điện áp từ 16000 V xuống còn 890 V, qua cầu thyristor để chuyển đổi điện áp AC thành DC kích từ cho máy phát thông qua máy cắt kích từ, chổi than, và cổ góp Tín hiệu ra của bộ chỉnh lưu được điều khiển bởi bộ AVR để giữ điện áp đầu cực máy phát

Trong suốt quá trình khởi động, máy phát được kích từ nhờ hệ thống accu 110 VDC Khi điện áp đầu cực máy phát đạt 60% điện áp định mức hệ thống kích từ tự động chuyển đổi từ accu sang bộ chỉnh lưu và được điều khiển bằng tín hiệu ra của bộ tự động điều chỉnh điện áp như hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển dòng kích từ

2.3.2.2 Tự động điều chỉnh điện áp (AVR)

Chức năng của bộ tự động điều chỉnh điện áp: Bao gồm các chức năng cơ bản sau:

1 Điều khiển giá trị điện áp máy phát đạt giá trị đặt trước (điện áp tham chiếu);

2 Điều chỉnh công suất phản kháng khi các tổ máy vận hành song song;

3 Cải thiện điều kiện ổn định của hệ thống ở chế độ quá độ;

4 Hạn chế điện áp máy phát tăng cao khi máy phát mất tải đột ngột Để thực hiện được các chức năng trên, bộ AVR phải liên tục so sánh điện áp phát ra của máy phát điện với điện áp tham chiếu Khi điện áp máy phát lệch khỏi điện áp đặt trước thì tín hiệu ra của AVR sẽ thay đổi bằng cách tăng hoặc giảm dòng kích từ để giữ điện áp máy phát ổn định Bộ AVR nhận tín hiệu điện áp máy phát từ phía thứ cấp của biến điện áp để so sánh với giá trị điện áp đặt trước, tín hiệu ra ở dạng xung kích, cung cấp cho dòng kích cho các thyristor Xung kích sẽ điều khiển góc kích của thyristor để thay đổi dòng kích từ cho máy phát và như thế điện áp máy phát sẽ được điều chỉnh về vị trí mong muốn

Bộ AVR có thể hoạt động ở hai chế độ tự động hoặc điều chỉnh bằng tay Ở chế độ tự động AVR sẽ duy trì điện áp máy phát không đổi Phạm vi điều khiển lúc không tải là từ 10% đến 110% điện áp định mức và lúc đầy tải là 95% đến 105% Ở chế độ điều chỉnh bằng tay AVR sẽ giữ dòng kích từ không đổi, điện áp máy phát chỉ thay đổi phụ thuộc vào việc tăng hoặc giảm kích từ bằng tay, phạm vi điều khiển của chế độ này là từ 0% đến 95% lúc khởi động Khi AVR đang hoạt động, tín hiệu điều khiển kích từ bằng tay liên tục được bám theo tương đương với tín hiệu điều khiển ở chế độ tự động, để bảo đảm điều kiện hoạt động ổn định khi cần chuyển từ chế độ tự động sang điều khiển bằng tay

Bộ AVR được thiết kế hoạt động theo nguyên lý hệ thống kép gồm: bộ xử lý trung tâm (CPU), các card tín hiệu vào tương tự, tín hiệu vào, ra kỹ thuật số và card xung kích Khi có một trong hai card tín hiệu tương tự đầu vào hoặc một bộ xử lý trung tâm bất thường hệ thống vẫn hoạt động bình thường bằng các card còn lại

Khi cả hai CPU bất thường hệ thống vẫn điều khiển được điện áp máy phát bằng cách điều khiển tín hiệu tăng hoặc giảm kích từ bằng tay được nối trực tiếp vào card xung kích như hình 2.8

V AC Điều khiển và khuếch đại xung Khuếch đại và bù pha Giá trị đặt điều khiển tự động (90R)

Giá trị đặt điều khiển bằng tay

Hình 2.8 Điều khiển kích từ tự động hoặc bằng tay

Chức năng hạn chế, bảo vệ được bổ sung thêm vào bộ AVR gồm:

1 Chức năng giới hạn thiếu kích từ (UEL)

Giới hạn thiếu kích từ dùng để ngăn chặn sự giảm kích từ của máy phát tới giới hạn ổn định hoặc vùng giới hạn nhiệt lõi stator bị vượt quá Khi bộ giới hạn thiếu kích từ khởi động, nó sẽ làm tăng điện áp rotor và giảm công suất phản kháng đang nhận Chức năng UEL thông thường có tín hiệu vào là loại kết hợp giữa điện áp và dòng điện hoặc kết hợp giữa công suất thực và công suất ảo Tín hiệu ra được đưa đến bộ điều áp nhằm cộng thêm vào tín hiệu điều khiển điện áp hoặc đưa tới cổng giới hạn cao của tín hiệu điều khiển Bộ giới hạn thiếu kích từ được phân loại dựa theo đặc tuyến làm việc, thông thường có hai dạng là đặc tuyến đường cong và đặc tuyến đường thẳng hay nhiều đoạn thẳng ghép lại hình 2.9 trình bày chức năng UEL dạng đặc tuyến đường thẳng

Hình 2.9 Chức năng giới hạn thiếu kích từ 2 Chức năng giới hạn quá kích từ (OEL)

Mục đích của bộ giới hạn quá kích từ là bảo vệ máy phát không cho bị quá nhiệt do phát công suất phản kháng cao và dòng rotor cao Dòng kích từ được chuyển thành tín hiệu tương tự và đưa vào card input tới khối giới hạn quá kích từ (OEL) nhằm ngăn chặn kích từ vượt quá giới hạn Khi dòng kích từ vượt quá giá trị đặt AVR sẽ tự động điều khiển về giá trị ban đầu mô tả như hình 2.10

3 Chức năng ổn định hệ thống (PSS)

Chức năng cơ bản của bộ PSS là bổ sung cản vào dao động rotor của máy phát bằng cách sử dụng tín hiệu phụ tới bộ AVR để điều khiển kích từ máy phát bảo đảm tính ổn định khi hệ thống có dao động Các tín hiệu vào để điều khiển thông thường là: tốc độ rotor, tần số hoặc công suất máy phát

4 Chức năng giới hạn V/f (VFL)

Mục đích của bộ V/f là để bảo vệ máy phát và máy biến áp không bị hư hỏng do vượt quá dòng từ hóa khi tần số thấp và điện áp cao đảm bảo tỉ lệ điện áp và tần số máy phát không vượt quá 1,05, được mô tả như hình 2.11

Hình 2.10 Chức năng giới hạn quá kích từ

Hình 2.11 chức năng bảo vệ V/f 1 Tự động diệt từ

Mạch diệt từ sử dụng thyristor và điện trở phóng điện, thyristor được điều khiển bằng xung kích từ AVR Ở chế độ làm việc bình thường, máy cắt kích từ đóng, AVR đưa tín hiệu đến kích các thyristor của mạch kích từ đưa dòng kích từ vào máy phát Khi có lệnh ngắt kích từ AVR ngừng kích mạch kích từ, đưa tín hiệu đến kích thyristor mạch diệt từ, từ trường máy phát được tiêu thụ qua thyristor và điện trở phóng điện, sau đó máy cắt kích từ được mở, nguyên lý hoạt động được mô tả như hình 2.12

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động mạch diệt từ

MÔ PHỎNG BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ THEO CÁC SỐ LIỆU THỰC TẾ BẰNG MATLAB SIMULINK

Bộ tự động điều chỉnh điện áp

3.1.1 Mô phỏng chức năng giới hạn thiếu kích từ

3.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý thiết kế

 90R: Giá trị đặt điện áp;

 52: Máy cắt đầu cực máy phát;

 UEL USE: chọn chế độ sử dụng UEL;

 VAMIN: Giá trị cổng giới hạn cao;

 Vt: Điện áp đầu cực máy phát;

 QL: Công suất vô công tham chiếu tương ứng với tín hiệu công suất hữu công đầu vào;

 Q: Công suất vô công đang phát

Khi máy phát vận hành ở chế độ thiếu kích thích, tức máy phát nhận công suất vô công của hệ thống, điều này cũng làm dòng phần ứng tăng cao Tuỳ theo mức độ nhận vô công nhiều hay ít mà có thể gây quá nhiệt hoặc máy phát bị mất ổn định Chức năng UEL sẽ giám sát công suất hữu công P và công suất vô công Q của máy phát nếu chúng vượt quá giá trị ổn định đặt trước, bộ giới hạn sẽ điều khiển tín hiệu ra bảo đảm các thông số nằm trong giới hạn

Chức năng UEL được mô phỏng là loại có tín hiệu vào là công suất và đặc tuyến làm việc được kết hợp bởi hai đoạn thẳng, có tọa độ trên đồ thị công suất như bảng sau:

STT Công suất hữu công P (pu) Công suất vô công Q (pu)

3.1.1.2 Sơ đồ mô phỏng thực tế

 Đặc tuyến cài đặt chức năng UEL như bảng sau:

 Công suất Pt của máy phát được đưa vào khối Lookup Table để nội suy ra giá trị QL tương ứng Giá trị QL sẽ so sánh với giá trị công suất Qt đang phát nếu:

 Công suất Qt đang nhận nhỏ hơn công suất QL được nội suy từ giá trị Pt, giá trị cổng giới hạn cao VAMIN sẽ là -10, tức giá trị công suất vô công đang nhận còn nằm trong giới hạn cho phép;

 Công suất Qt đang nhận lớn hơn công suất QL được nội suy từ giá trị Pt, giá trị cổng giới hạn cao VAMIN sẽ chuyển sang giá trị dương tùy theo mức độ nhận Qt, lúc này giá trị công suất vô công vượt giới hạn cho phép Giá trị VAMIN sẽ giới hạn giá trị nhận công suất vô công của tổ máy

 Kết quả một số giá trị mô phỏng như bảng sau:

Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng chức năng UEL

Giá trị giới hạn V AMIN

 Kết quả dạng đồ thị với thời gian chạy mô phỏng 1 giây

TIN HIEU CONG SUAT Qt THUC PHAT

TIN HIEU CHO PHEP CONG SUAT Qt THUC PHAT VA DAC TUYEN CHO PHEP

TIN HIEU GIOI HAN KICH TU t (sec)

3.1.2 Mô phỏng chức năng giới hạn quá kích từ

 Chức năng giới hạn quá kích từ được thiết kế có hai ngưỡng tác động

Ngưỡng tác động tức thời khi dòng kích từ lớn hơn 1,05 lần dòng kích từ định mức, ngưỡng thấp có đặc tuyến tác động phụ thuộc vào thời gian, tác động khi dòng kích từ lớn hơn định mức, được trình bày như hình sau:

 IFLM1 = 1,05 x dòng kích từ định mức;

 IFLM2 = dòng kích từ định mức;

 Khi giá trị dòng kích từ Ifd lớn hơn ngưỡng tác động cao IFLM1, tín hiệu tương ứng VF1 của vòng 1 hoạt động đưa tín hiệu khối tổng các tín hiệu so sánh với điện áp tham chiếu nhằm giảm ngay dòng kích từ về định mức Khi Ifd giảm thấp hơn IFLM1, tín hiệu điều khiển sẽ đi qua vòng 2, chức năng giới hạn và thời gian tác động phụ thuộc vào độ lớn tín hiệu VF2 và giá trị K2 Khi Ifd giảm thấp hơn IFLM2 tín hiệu VF3 của vòng 3 sẽ giải trừ tín hiệu ra của khối tích phân về không giúp cho vòng 1 và tín hiệu VF1 tiếp tục kiểm soát chức năng OEL

 Kết quả mô phỏng khi tín hiệu vào Ifd thay đổi từ 0,99 đến 1,06 như bảng sau:

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng chức năng OEL Tín hiệu I fd

3.1.3 Mô phỏng chức năng giới hạn V/f

3.1.3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết kế

 90R: Giá trị đặt điện áp;

 Vt: Điện áp đầu cực máy phát;

 VFL USE: chọn chế độ sử dụng VFL

3.1.3.2 Sơ đồ mô phỏng thực tế

 Giới hạn V/f nhận lấy tín hiệu tỷ số điện áp và tần số của máy phát so sánh với giá trị đặt là 1,05 Khi tỷ số V/f vượt quá giá trị đặt, chức năng giới hạn sẽ phát tín hiệu đến bộ AVR để giảm điện áp máy phát về giá trị an toàn

 Khi điện áp máy phát vượt quá giá trị đặt từ 1,05 đến 1,06, tín hiệu điều khiển ra của bộ V/f có giá trị như bảng sau:

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng chức năng V/f Tỷ số V/f Tín hiệu ra V/f Tín hiệu ra AVR

 Kết quả dạng đồ thị với thời gian chạy mô phỏng 2 giây

TIN HIEU DEN BO AVR t (sec)

3.1.4 Mô phỏng chức năng ổn định hệ thống

3.1.4.1 Sơ đồ nguyên lý thiết kế

 90R: Giá trị đặt điện áp;

 Vt: Điện áp đầu cực máy phát;

 Tlead, Tlag: hằng số thời gian bù sớm, trễ pha

 TR: Hằng số thời gian bộ lọc tín hiệu

Chức năng PSS được mô phỏng là loại nhận tín hiệu đầu vào là công suất P và được đưa vào hoạt động khi công suất phát lớn hơn 30% công suất định mức máy phát Các khối cơ bản gồm: khối lọc tín hiệu, các khối bù pha bậc nhất nhầm cung cấp đặc tính pha thích hợp để bù cho sự trễ pha giữa bộ kích từ và mômen điện từ

3.1.4.2 Sơ đồ mô phỏng thực tế

 Kết quả dạng đồ thị với thời gian chạy mô phỏng 30 giây

(pu) t (sec)TIN HIEU ON DINH HE THONG DEN AVR

3.1.5 Mô phỏng chức năng bù phụ tải

3.1.5.1 Sơ đồ nguyên lý thiết kế

 90R: Giá trị đặt điện áp;

 Vt: Điện áp đầu cực máy phát;

 XLDC: Trở kháng máy biến áp chính Máy phát được nối với hệ thống qua máy biến áp tăng áp Do vậy khi vận hành ở chế độ phát công suất phản kháng sẽ có sụt áp trên máy biến áp chính, giá trị sụt áp phụ thuộc vào trở kháng của máy biến áp và thành phần dòng điện phản kháng Iq Khi công suất khản kháng thay đổi dòng Iq sẽ thay đổi theo

I  Q ; và thành phần IqXLDC được đưa thêm vào giá trị đặt điện áp nhằm tăng điện áp đầu cực máy phát bù lại lượng điện áp rơi trên máy biến áp chính

3.1.5.2 Sơ đồ mô phỏng thực tế

Kết quả mô phỏng khi công suất phản kháng phát từ -0,2 đến 0,5 như bảng sau:

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng chức năng bù phụ tải

Q t X LDC Tín hiệu đến AVR

3.1.6 Mô phỏng chức năng kích từ

Mô phỏng tương tự hệ thống kích thích tĩnh loại ST1A theo IEEE Std 421.5 TM -2005 như hình 1.17 ở chương 1, với các thông số được chọn như sau:

3.1.6.1 Sơ đồ nguyên lý thiết kế

3.1.6.2 Sơ đồ mô phỏng thực tế chức năng kích thích

Sơ đồ trên sử dụng mô hình kích từ chỉnh lưu có điều khiển, nguồn áp được lấy từ đầu cực máy phát qua máy biến áp kích từ Hệ số TR hằng số thời gian của Transducer biến đổi tín hiệu đầu cực máy phát KA, TA là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của hệ thống kích từ TB, TC hằng số thời gian bù pha cho tín hiệu vào

Kết quả mô phỏng khi thay đổi tín hiệu điện áp đầu cực máy phát từ 0,95 đến 1,05 như bảng sau:

Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng chức năng kích từ Điện áp đầu cực V t Điện áp đặt V ref Tín hiệu ra E fd

3.1.6.3 Sơ đồ kết hợp các chức năng kích từ, hạn chế và bảo vệ

 Kết quả dạng đồ thị với thời gian chạy mô phỏng 10 giây

TIN HIEU DIEN AP DAU CUC MAY PHAT

TIN HIEU SAI LECH GIUA DIEN AP DAU CUC VA DIEN AP DAT

(p u) t (sec)TIN HIEU RA BO AVR

MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ THEO THÔNG SỐ THỰC TẾ CỦA TỔ MÁY S1 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Ô MÔN

Mô hình máy phát điện đồng bộ

Một máy phát điện đồng bộ cấu tạo đơn cơ bản như hình 4.1 biểu diễn mặt cắt ngang của một máy điện đồng bộ 3 pha có một cặp cực Cấu tạo gồm hai phần chính: phần cảm hay rotor là phần kích từ được kéo bởi động cơ sơ cấp và phần ứng hay startor là phần đứng yên được kết nối với hệ thống điện

Startor được ghép thành hình trụ bởi các lá thép kỹ thuật điện và có rãnh phía trong để đặt cuộn dây ba pha Các dây quấn ba pha được bố trí lệch nhau 120 0 trong các rãnh của stator

Rotor được đúc từ thép khối với các rãnh hướng tâm ở hai phía để đặt dây quấn kích từ tạo thành cực từ Dòng kích từ được đưa vào rotor thông qua chổi than, cổ góp hoặc sử dụng diode quay như đã trình bày ở chương 1 Rotor được phân loại theo tỉ lệ đường kính và chiều dài trục, rotor cực lồi sử dụng cho các máy phát có tốc độ thấp thường là các máy phát thủy điện, rotor cực ẩn sử dụng cho máy phát điện có tốc độ cao thường là các máy phát nhiệt điện

Số cặp cực được xác định bởi tốc độ cơ của rotor và tần số của dòng điện stator: n 60 f

 p Trong đó: n : tốc độ rotor (vòng/phút) f : tần số (Hz)

Sơ đồ tương đương máy phát đồng bộ

Hình 4.2 trình bày sơ đồ tương đương máy điện đồng bộ ba pha trong đó:

 a,b,c: cuộn dây pha của stator;

 fd: cuộn dây kích từ;

 kd: cuộn cản trên trục d;

 kq: cuộn cản trên trục q;

 : góc lệch giữa trục d và trục từ thông của cuộn dây pha a

Cuộn dây stator có dòng điện xoay chiều chạy qua được phân bố dạng sin dọc theo khe hở không khí với rotor

Mạch rotor bao gồm cuộn dây kích từ và cuộn cản Cuộn dây kích từ được nối với nguồn DC Dòng điện chạy trong vòng cuộn cản chạy theo 2 hướng, một là dòng điện chạy sao cho từ thông do nó sinh ra có cùng hướng với trục d, từ thông của dòng còn lại cùng hướng với trục q

Góc θ là góc tính từ trục a tới trục d Trục d sẽ quay, trục a đứng yên, góc θ sẽ tăng liên tục theo thời gian theo phương trình θ = ω r t; với ω r là tốc độ quay của rotor.

Các phương trình toán học

Với quy ước chiều dương của dòng điện dây quấn stator là chiều đi ra khỏi máy phát, chiều dương của dòng kích từ và dòng dây quấn cản là chiều đi vào máy phát Các phương trình toán học trong stator, rotor, và những đại lượng liên quan sẽ được trình bày sau đây

Giải thích các đại lượng sử dụng trong những phương trình toán học:

 e a , e b , e c : điện áp pha stator tức thời

 i a , i b , i c : dòng điện tức thời stator trên các pha a,b,c

 e fd : điện áp kích từ

 i fd , i kd , i kq : dòng điện chạy qua cuộn dây kích từ và các cuộn cản

 R fd , R kd , R kq : điện trở cuộn dây kích từ và các vòng ngắn mạch

 l aa , l bb , l cc : cảm kháng của các cuộn dây pha a,b,c

 l ab , l bc , l ca : cảm kháng tương hỗ giữa các cuộn dây pha a,b,c

 l afd , l akd , l akq : cảm kháng tương hỗ giữa các cuộn dây stator và rotor

 L ffd , l kkd , l kkq : cảm kháng của các cuộn dây rotor

 R a , R b , R c : điện trở của các cuộn dây pha a,b,c

 dt p d : toán tử vi phân

4.3.1 Các phương trình mạch stator

 Phương trình từ thông a aa a ab b ac c afd fd akd kd akq kq b ba a bb b bc c bfd fd bkd kd bkq kq c ca a cb b cc c cfd fd ckd kd ckq kq l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i l i

   từ thông móc vòng tại thời điểm bất kỳ trong ba pha stator

 Tự cảm cuộn dây stator

Tự cảm tổng cuộn dây pha a l aa bằng tự cảm khe hở cộng với tự cảm tản không qua khe hở không khí Lal Vậy ta có phương trình tự cảm của các cuộn dây là: aa 0 aa2 bb aa 0 aa2 aa 0 aa2 l L L cos(2 ) l L L cos2 2

Với θ: là góc giữa trục a và trục d

4.3.2 Hỗ cảm các cuộn dây stator

Hỗ cảm giữa hai dây quấn stator bất kỳ được xác định theo công thức sau:

0 2 os 2 3 os 2 os 2 3 ab ba ab ab bc cb ab ab ca ac ab ab l l L L c l l L L c l l L L c

4.3.3 Hỗ cảm giữa stator và rotor

Bỏ qua hiệu ứng trên các rãnh, mạch rotor có từ thẩm hằng nên sự biến thiên hỗ cảm giữa rotor và stator là do sự chuyển động tương đối của chúng af af os( ) os( ) os sin( )

2 d d akd akd akq akq akq l L c l L c l L c L

2 3 3 d d bkd akd bkq akq akq l L c l L c l L c L

2 3 3 d d ckd akd ckq akq akq l L c l L c l L c L c

Thay phương trình 4.4, 4.5 vào phương trình 4.2 ta được phương trình từ thông các pha stator như sau:

 aa 0 aa 2  0 2 0 2 d afd d d ab0 ab2 0 2 0 2 os2 os 2 os 2

3 3 os os sin os 2 os2 2

3 3 a a b ab ab c ab ab f k ak kq akq b a b aa aa c ab ab i L L c i L L c i L L c i L c i L c i L i L L c i L L c i L L c

  d afd d d ab0 ab2 0 2 0 2 d afd d d os 2

3 f k ak kq akq c a b ab ab c aa aa f k ak i L c i L c i L i L L c i L L c i L L c i L c i L c

4.3.4 Các phương trình mạch rotor

0 0 fd fd fd fd kd kd kd kq kq kq e d R i dt d R i dt d R i dt

Trong đó  f d , k d , kq :là từ thông móc vòng các mạch rotor có các biểu thức sau: af ak akq

3 3 fd ffd fd fkd kd d a b c kd fkd fd kkd kd d a b c kq kkq kq a b c

Phép biến đổi dq0

Trong các các phương trình trình bày ở mục 4.3 đều chứa các điện cảm thay đổi tuần hoàn với góc θ theo thời gian gây khó khăn cho việc nghiên cứu các quá trình quá độ Sử dụng phép biến đổi dq0, biến đổi ba cuộn dây stator về hai cuộn dây gắn trên rotor còn được gọi là phép biến đổi Park sẽ làm cho các điện cảm là hằng số

Xét tại thời điểm bất kỳ, khi trục d cách hệ trục tọa độ đứng yên một góc θ, và nếu chiếu dòng điện dòng điện i a , i b , i c ta sẽ thu được:

Với ba pha cân bằng, hệ số 2/3 nhằm đảm bảo trị đỉnh của id, iq sẽ bằng trị đỉnh của dòng stator

Chuyển đổi từ hệ quy chiếu abc sang hệ quy chiếu dq0 được biểu diễn theo hàm sau: F dq 0  P   F abc

F dq0 : là các đại lượng trong hệ quy chiếu dq0

F abc : là các đại lượng trong hệ quy chiếu abc

P(): là ma trận chuyển đổi từ hệ quy chiếu abc sang hệ quy chiếu dq0

4.4.1 Phương trình từ thông stator

Từ các phương trình 4.6, 4.11 chuyển đổi    a , b , c sang hệ quy chiếu dq0 ta nhận được    d , q , 0 aa 0 0 aa 2 af aa 0 0 aa 2

( 2 ) d ab d d fd akd kd q ab q akq kq ab

   Đặt: aa 0 0 aa 2 aa 0 0 aa 2

4.4.2 Phương trình từ thông rotor

Tương tự ta có phương trình từ thông 4.8 trong hệ quy chiếu dq0 là: af

2 fd ffd fd fkd kd d d kd fkd fd kkd kd akd d kq kkq kq akq q

4.4.3 Phương trình điện áp stator

Biến đổi phương trình 4.1 sang hệ quy chiếu dq0 ta được phương trình điện áp stator

0 0 d d q s d q q d s q s d d e R i dt dt d d e R i dt dt e d R i dt

Góc  , như định nghĩa là góc giữa trục a và trục d Thành phần d dt

 ở trong những phương trình điện áp chính là tốc độ góc ω r của rotor Đối với hệ thống điện có tần số 50Hz đang hoạt động ở trạng thái xác lập thì

  là kết quả của sự chuyển đổi từ hệ quy chiếu tĩnh abc sang hệ quy chiếu quay dq0, đó chính là điện áp stator được tạo ra bởi từ thông quay trên rotor Thành phần q d dt

  là thành phần điện áp thay đổi theo tốc

(4.14) độ (điện áp do tốc độ), và d d dt

 là điện áp thay đổi theo thời gian (điện áp biến đổi)

  liên quan tới vị trí giả thiết của trục dq0 Với giả thiết trục q nhanh pha hơn trục d là 90 0 , e q trên trục q được sinh ra do từ thông trên trục d, còn e d trên trục d được sinh ra do từ thông trên trục q sẽ trễ pha so với trục d một góc 90 0 nghĩa là trên trục q âm

4.4.4 Phương trình công suất và moment

Công suất tức thời được tính:

P  e i  e i Từ phương trình điện áp stator (4.14), thay thế điện áp bằng các thành phần dòng điện và từ thông, với ω r là tốc độ r d dt

Trong đó: i d d d q d q 2 0 d 0 i i dt dt dt

: Biến đổi năng lượng từ phần ứng

( d q i  q d i ) r : Công suất điện từ truyền qua khe hở không khí

(i d 2 i q 2 2 )i R 0 2 s : Công suất tổn thất phần ứng

Moment T e được tính bằng cách lấy công suất điện từ chia cho tốc độ turbine

Với P là số cặp cực của máy phát

Phương trình toán học trong hệ đơn vị tương đối

Trong lĩnh vực nghiên cứu hệ thống điện, hệ thống đơn vị tương đối được sử dụng rộng rãi nhằm bình thường hóa các biến hệ thống So sánh với hệ đơn vị có tên, hệ thống đơn vị tương đối cung cấp các tính toán đơn giản hơn bằng cách loại bỏ các đơn vị, thay thế chúng bằng các hệ số không thứ nguyên Để chuyển đổi các đại lượng có tên về đại lượng tương đối, trước hết cần phải chọn đại lượng cơ bản

Giá trị tương đối được tính bằng cách chia giá trị thực cho giá trị cơ bản Một vài đại lượng cơ bản được chọn tùy ý còn các đại lượng khác sẽ được tính từ đại lượng này Nếu chọn hệ đơn vị cơ bản hợp lý, cách tính toán sẽ được đơn giản hóa với các đại lượng rút gọn hơn về kích cỡ Hệ đơn vị tương đối trình bày trong mục này là hệ đơn vị tương đối có các hỗ cảm tương hỗ

4.5.1 Các giá trị cơ bản stator e sbase : giá trị đỉnh của điện áp pha định mức (V) i sbase : giá trị đỉnh của dòng điện định mức (A)

 f base : tần số định mức (Hz)

 base 2f base (rad/s điện) mbase base ( 2 ) p f

(rad/s cơ) sbase sbase sbase

(H) sbase sbase sbase sbase base

2 2 2 base RMSbase RMSbase sbase sbase sbase sbase pha VA E I e i e i VA

2 base ebase mbase sbase sbase pha VA T p i N m

4.5.2 Phương trình điện áp stator trong hệ đơn vị tương đối

Từ phương trình điện áp (4.14) ở đơn vị có tên: d d d q w r s d e R i dt

Chia cả 2 vế cho e sbase i sbase Z sbase w base  sbase ta có:

( 1 d ) d sbase sbase q r s d sbase sbase base sbase sbase e d w w R i e dt w Z i

Vậy phương trình điện áp trong đơn vị tương đối: d 1 ( d ) q w r s d base e d R i w dt

Thiết lập tương tự ta có: d d d d

  Đơn vị của thời gian trong phương trình trên là giây, thời gian cũng có thể đưa về đơn vị tương đối với giá trị cơ bản là thời gian cần thiết để rotor quay hết một góc 1 radian điện với vận tốc đồng bộ

1 1 base 2 base base t  w   f Viết lại các phương trình điện áp: d d d q w r s d e R i dt

4.5.3 Phương trình điện áp rotor trong hệ đơn vị tương đối

Từ phương trình điện áp (4.7) ở đơn vị có tên: fd fd fd fd e d R i dt

Chia 2 vế cho e fdbase  w base  fdbase  Z fdbase fdbase i ta được: e fd d fd R i fd fd dt

Thiết lập tương tự ta có:

0 0 kd kd kd kq kq kq d R i dt d R i dt

4.5.4 Phương trình từ thông trên stator

Từ những phương trình từ thông móc vòng trên stator ở phương trình (4.12), ta viết lại trong hệ đơn vị tương đối: af d

Với: afd fdbase afd sbase sbase akd kdbase akd sbase sbase akq kqbase akq sbase sbase

4.5.5 Phương trình từ thông trên rotor

Từ những phương trình từ thông móc vòng trên stator ở phương trình (4.13), ta viết lại trong hệ đơn vị tương đối: fd ffd fd fkd kd fda d kd fkd fd kkd kd kda d kq kkq kq kqa q

3 2 afd sbase fda fdbase fdbase fkd kdbase fkd fdbase fdbase akd sbase kda kdbase kdbase

3 2 fkd fdbase kdf kdbase kdbase akq sbase kqa kqbase kqbase

Như vậy bằng cách chọn hệ đơn vị tương đối, chúng ta đã bỏ đi được hệ số 3/2 trong các phương trình từ thông móc vòng rotor

4.5.6 Hệ đơn vị tương đối cho rotor

Các đại lượng cơ bản của rotor được chọn sao cho nó có thể biểu diễn toàn bộ máy phát tương đương về một mạch quy đổi (thường là stator) Như vậy phải thoả mãn những yêu cầu sau:

 Hỗ cảm tương đối giữa những cuộn dây có tính thuận nghịch, ví dụ: afd fda

L L , từ đó có thể thay thế mô hình máy điện đồng bộ bằng những mạch điện tương đương

 Tất cả những hỗ cảm tương đối giữa mạch stator và rotor trong mỗi trục đều bằng nhau, ví dụ: L afd L akd

Theo đó một số giá trị tương đối của mạch rotor được tính như sau: d d as as afd d kd as as akd as as akd a f b e sb e a b e sb e aq kqb e sb e i L i

 as d as d as d as d as d as

4.5.7 Công suất và moment trong hệ đơn vị tương đối

Từ phương trình công suất (4.15) ở đơn vị có tên:

Chia cả 2 vế cho 3 3 base 2 sbase sbase pha VA e i

  , ta viết lại trong hệ đơn vị tương đối:

4.5.8 Phương trình chuyển động rotor

Phương trình chuyển động quay tương đối của rotor máy phát điện đồng bộ có xét đến moment cản được biểu diễn như sau:

2 r mech em r base r d T T D dt H d dt

H : hằng số quán tính được định nghĩa là động năng tích lũy trong rotor khi tốc độ quay đạt giá trị định mức tính trong lượng công suất cơ bản ω : Vận tốc góc δ : Góc lệch tương đối giữa trục tốc độ đồng bộ và tốc độ rotor

Tmech: moment quay của turbine

Tem: moment quay của máy phát

Theo quy ước về động cơ, mômen gia tốc thực (T mech T em D r )nằm theo chiều quay của rotor Ở đây, mômen Tem sinh ra bởi máy điện là dương khi

(4.28) (4.29) máy đang làm việc ở chế độ động cơ và âm khi máy đang phát điện Mômen Tmech sẽ âm khi máy làm việc ở chế độ động cơ đang mang tải và dương khi rotor đang được kéo bởi động cơ sơ cấp lúc đang phát điện Mômen cản có tác dụng theo hướng ngược với chiều quay của rotor.

Mô hình bộ điều khiển kích từ

Hệ thống đơn vị tương đối trong mô hình bộ kích từ là không tương hỗ Đối với máy điện đồng bộ dưới các điều kiện hở mạch ta có: id, iq= 0, các phương trình điện áp máy phát có dạng d d d q q q 0 q d a f e L i e L i

1.0 pu, E t Đường đặc tuyến khe hở không khí, độ dốc Ladu

Hình 4.3 Đặc tuyến hở mạch của máy điện đồng bộ Đặc tính hở mạch của máy phát được cho như hình 4.3 Như vậy dòng điện kích từ yêu cầu để tạo ra điện áp đầu cực stator bằng 1 đơn vị tương đối trong khe hở không khí với độ dốc là Ladu được xác định bởi: d d 1 t q a u f

Do đó, trong hệ thống đơn vị tương đối tương hỗ, để tạo ra điện áp đầu cực stator định mức trong khe hở không khí thì dòng điện kích từ i fd yêu cầu sẽ là: d d

1 f a u i  L đvtđ Điện áp kích từ tương ứng là: d d d d d f f f f a u e R i R

Các mô hình hệ thống kích từ phải giao tiếp với mô hình máy điện đồng bộ ở cả các đầu cực phần đầu vào và đầu ra của bộ kích từ Các tín hiệu điều khiển ngõ vào đối với hệ thống kích từ là các đại lượng của stator máy điện đồng bộ và rotor

Vì thế sẽ có sự thay đổi với hệ thống đơn vị tương đối liên quan đến mạch kích từ

Theo định nghĩa thì giá trị tương ứng của dòng điện ngõ ra bộ kích từ Ikt= 1 đvtđ Do đó dòng điện và điện áp ngõ ra bộ kích từ là: d d d d d d d f a u f a u f f f

Thực tế thì điện áp và dòng điện ngõ ra bộ kích từ và điện áp, dòng điện kích thích máy phát là như nhau, sự khác biệt chỉ được tạo ra trong các giá trị tương đối của chúng cho phép sự lựa chọn độc lập của các hệ thống đơn vị tương đối đối với việc mô hình hóa hệ thống kích từ và máy điện đồng bộ, sơ đồ khối được trình bày như hình 4.4.

Tính toán các giá trị ở chế độ xác lập

Thông thường, từ tình trạng làm việc xác lập, các đại lượng công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, độ lớn điện áp đầu cực Et được xác định

 Dòng điện và góc φ được tính như sau:

 Góc  i : từ hình 4.5 ta xác định được góc  i

1 os R sin tan os sin q t s t i t s t q t

Hình 4.5 đồ thị vectơ tính toán ở trạng thái xác lập

 Thành phần điện áp, dòng điện: sin( ) os( ) sin( ) os( ) d t i q t i d t i q t i e E e E c i I i I c

 Những đại lượng khác: d q s q q d s d q s q d d fd ad fd fd fd e R i e R i e R i X i i X e R i

( ) fd ad fd fd ad d kd ad fd d kq aq q e t s t

Mô phỏng máy phát điện đồng bộ sử dụng Simulink

4.8.1 Thiết lập phương trình mô phỏng

Dựa vào các phương trình toán học của máy phát đồng bộ đã trình bày ở phần trên, thực hiện mô phỏng với các tín hiệu vào là điện áp và tín hiệu ra là dòng điện

Các thông số chính ở ngõ vào là điện áp ba pha stator, điện áp kích từ và moment cơ của trục rotor Điện áp ba pha stator được chuyển sang hệ quy chiếu dq0 tương ứng với trục rotor theo hai bước sau:

 Bước 1: tương ứng với trục rotor đứng yên

 Bước 2: Trục rotor quay góc δ s s s s os sin sin os q q r d r d q r d r e e c e e e e c

Những phương trình toán học dùng để mô phỏng được sử dụng trong hệ đơn vị tương đối Các Phương trình điện áp và từ thông từ (4.19) đến (4.23) được viết lại như sau:

( ) 1 d d r q s d base q q r d s q base fd fd fd fd base e d R i dt e d R i dt e d R i dt

( ) 0 1 kd kd kd base kq kq kq base d R i dt d R i dt

Trong đơn vị tương đối nếu tần số f = f base thì thành phần cảm kháng X sẽ bằng thành phần điện cảm L do:

X d 2fL d , trong đơn vị có tên;

Chọn Z cb 2 f L cb scb , ta có

    , trong đơn vị tương đối

Như vậy các phương trình dùng để mô phỏng máy phát điện đồng bộ sau đây sẽ được trình bày với các giá trị điện cảm được thay bằng giá trị cảm kháng tương ứng

Từ các giá trị của hỗ cảm và từ thông móc vòng của các cuộn dây trên trục d,q ta xác định được dòng điện theo phương trình sau:

, fd ad d ad kd ad d fd kd l fd kd q aq kq aq q kq l kq i i i x x x i i x x

Thay (4.40) vào (4.39) và thực hiện biến đổi ta có:

( ) d d r q s d base d d r q s d base ad d d base d r q s l e d R i dt d e R i dt e r dt x

( ) fd fd fd fd base fd fd fd fd base f ad fd fd base fd ad a fd e d R i dt d e R i dt

Thiết lập tương tự ta được các phương trình từ thông sử dụng cho mô phỏng máy phát đồng bộ trong đơn vị tương đối như sau:

( ) ad d d base d r q s l aq q q base q r d s l k k base ad kd k kq kq base aq kq kq f ad fd fd base fd ad a fd e r dt x e r dt x

Ta có từ thông tương hỗ của trục d, q là:

( ) ad ad d fd kd aq aq q kq x i i i x i i

Thay phương trình (4.40) vào (4.42) ta được:

( ) ad ad d fd kd fd ad d ad kd ad ad ad l fd kd d fd kd ad ad ad ad ad ad l fd kd l fd kd x i i i x x x x x x x x x x x x x x

1 1 1 1 ad ad ad ds fd kd ad ad l fd kd l fd kd d fd kd ad ad l fd kd l fd kd d fd kd ad MD l fd kd x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Tương tự: q kq aq MQ l kq x x x

4.8.2 Mô hình khối mô phỏng máy phát điện đồng bộ

Sơ đồ khối mô phỏng máy phát điện với các tín hiệu vào, ra được trình bày như các hình 4.6 đến 4.11

Hình 4.6 Sơ đồ khối trục d

Hình 4.8 Sơ đồ khối trục q

4.8.3 Khối chuyển đổi hệ quy chiếu abc sang dq0

Sử dụng phương trình (4.37) cho bước 1 và (4.38) cho bước 2 ta tạo mô hình như hình 4.12 eqs qds - qdr abc - qds eds

1 eq u[1]*u[3] - u[2]*u[4] qds - qr u[2]*u[3] + u[1]*u[4] qds - dr (2*u[1]- u[2] - u[3])/3 abc - q

Mux 5 sin_thetar 4 cos_thetar

Hình 4.12 Mô hình chuyển đổi hệ quy chiếu abc sang dq0

4.8.4 Mô hình các phương trình trên trục d

Mô hình các phương trình trên trục d máy phát đồng bộ được trình bày như hình 4.13

Fcn4 xMD*(u[1]/xl+u[2]/xfd+u[3]/xkd)

Fcn3 wb*rkd*(u[1]-u[2])/xkd Fcn2 wb*rfd*(u[2]/xad+(u[1]-u[3])/xfd)

Hình 4.13 Mô hình biểu diễn trục d máy phát đồng bộ

Trong đó các khối Fcn, Fcn1, Fcn2, Fcn3, Fcn4, Fcn5 lần lượt được biểu diễn bởi các phương trình: s d ( ad d ) d base d r q s l p i e r dt x

        d d sifd f ( ad fd ) fd base fd ad a fd p R E x dt x x

      d d d s d k ( ) k base ad kd k p ik R dt

   x    s d d fd kd ad MD l fd kd p ia x x x x

4.8.5 Mô hình các phương trình trên trục q

Mô hình các phương trình trên trục q máy phát đồng bộ được trình bày như hình 4.14

-(u[1]-u[2])/xl Fcn4 xMQ*(u[1]/xl+u[2]/xkq)

Fcn3 wb*rkq*(u[1]-u[2])/xkq Fcn2 wb*(u[2]-u[3]+(rs/xl)*(u[1]-u[4]))

Hình 4.14 Mô hình biểu diễn trục q máy phát đồng bộ

Trong đó các khối Fcn, Fcn2, Fcn3, Fcn4 lần lượt được biểu diễn bởi các phương trình: s ( ) s ( ) aq q q base q r d s l kq kq base aq kq kq p iq e r dt x p ikq R dt x

4.8.6 Mô hình chuyển động của rotor máy phát

Từ các phương trình (4.27, 4.28, 4.29) ta tạo được mô hình chuyển động rotor như hình 4.15 e d q q d

2 r mech em r base r d T T D dt H d dt

1 we/wb 1 s slip wb gain4

Hình 4.15 Mô hình chuyển động rotor máy phát

4.8.7 Mô hình gắn kết các trục d-q và rotor máy phát

Hình 4.16 là mô hình biểu diễn kết nối các trục dq và rotor máy phát psiq psid -id

3 wr/wb 2 delta 1 iq_gen prod2 prod1 T ruc q

Hình 4.16 Mô hình kết nối máy phát đồng bộ

Hình 4.17 là mô hình khối tạo hàm cosδ, sinδ để sử dụng cho phương trình (4.38) trong khối chuyển đổi hệ quy chiếu abc sang dq0 và 4.45 trong khối chuyển đổi từ dq0 sang abc

Hình 4.17 Mô hình hàm cosδ , sinδ

4.8.9 Khối tính giá trị các tín hiệu ra VIPQ

Khối nhận các tín hiệu ra được biểu diễn như hình 4.18

4.8.10 Khối chuyển đổi hệ quy chiếu dq0 sang abc

Hình 4-19 là khối chuyển đổi hệ từ quy chiếu dq0 về hệ quy chiếu abc ban đầu nhờ các phương trình sau: q s 0 s s 0 s s 0 os sin os sin

-u[1]/2 +sqrt(3)*u[2]/2 + u[3] qds-c -u[1]/2 -sqrt(3)*u[2]/2 + u[3] qds-b u[1] + u[3] qds-a u[1]*u[3] + u[2]*u[4] qdr-qs u[1]*u[4] - u[2]*u[3] qdr-ds

Mux 5 sin_thetar 4 cos_thetar

Hình 4.19 Mô hình chuyển đổi từ dq0 sang abc 4.8.11 Mô hình chạy mô phỏng máy phát điện đồng bộ Để chạy mô phỏng máy phát điện được kết nối với các tín hiệu vào, ra và các khối nhận kết quả mô phỏng như hình 4.20 iq_gen ia eag e0 wr/wb id_gen delta

T em cos (wrt) sin (wrt) eq ed ebg ecg sm1 qdr-abc qd_gen osc 100*pi omega*t Initialize and plot m1 abc - qd0 y Workspace

Ground u[2]*cos(u[1]+T 2piby3) Fcn2 u[2]*cos(u[1]-T2piby3)

Hình 4.20 Mô hình máy phát điện đồng bộ

Kết quả chạy mô phỏng

4.9.1 Nhập thông số mô phỏng thực tế

Thông số mô phỏng được lấy trên các số liệu thiết kế thực tế của tổ máy S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn như bảng dưới đây, các thông số này được nhập vào M- file nhapS1 (xem phụ lục 1) M-file nhapS1 được viết nhằm mục đích cho phép thay đổi các thông số thiết kế của máy phát để có thể khảo sát các tổ máy khác mà không cần phải thay đổi nhiều trong chương trình và mô hình Đoạn M-file M1 (xem phụ lục 2) được viết để tính các giá trị xác lập, những thông số của các phương trình chạy mô phỏng S1 simulink

Thông số Đơn vị Giá trị

Công suất định mức MVA 410 Điện áp định mức kV 16

Tần số định mức Hz 50

Tốc độ định mức rpm 3000 Điện kháng đồng bộ Xd pu 2,04

Xq pu 2 Điện kháng quá độ X ’ d pu 0,249

X ’ q pu 0,449 Điện kháng siêu quá độ X ” d pu 0,248

X ” q pu 0,244 Điện kháng thứ tự không X0 pu 0,139 Điện trở một pha phần ứng Ra Ω 0,000886

Hằng số thời gian không tải

4.9.2 Chế độ làm việc bình thường

4.9.2.1 Chế độ quá kích thích

Máy phát vận hành ở chế độ quá kích thích là trường hợp tổ máy phát công suất hữu công và vô công vào hệ thống ứng với miền làm việc có ký hiệu Q > 0 trên các hình 1.8, 1.9, 1.13 ở mục 1.4

Khảo sát chế độ quá kích thích được thực hiện bằng cách dùng khối

“repeating sequence” để tăng dòng kích từ 30% theo thời gian mô phỏng:

 Thời gian mô chạy mô phỏng: Ex_time = [0 0,2 0,2 5]

 Giá trị điện áp kích từ tương ứng: Ex_value = [1 1 1,3 1,3]E f0

 Các giá trị được tính toán thông qua các file: nhapS1, M1, S1 cho kết quả như phụ lục 3

Kết quả mô phỏng bằng đồ thị: như hình 4.21-1, 4.21-2

Máy phát điện đồng bộ vận hành ở chế độ quá kích từ, sẽ làm việc bình thường nếu các thông số còn nằm trong định mức, tương đương với vùng làm việc nửa trên của đường cong khả năng phát công suất phản kháng như hình 1.13

Theo kết quả mô phỏng khi thay đổi tăng dòng kích từ, góc công suất δ sẽ giảm, công suất vô công tăng theo Khảo sát này phù hợp với phần lý thuyết trình bày ở mục 1.4

Qg en (p u) time (sec) CONG SUAT VO CONG

Hình 4.21-1 Đồ thị chế độ quá kích thích 1

-2 0 2 ia (pu ) time (sec) DONG TUC THOI PHA a

Hình 4.21-2 Đồ thị chế độ quá kích thích 2 4.9.2.2 Chế độ thiếu kích thích

Máy phát vận hành ở chế độ thiếu kích thích là trường hợp tổ máy phát công suất hữu công và nhận công suất vô công từ hệ thống ứng với miền làm việc có ký hiệu Q < 0 trên các hình 1.8, 1.9, 1.13 ở mục 1.4

Khảo sát chế độ thiếu kích thích được thực hiện bằng cách dùng khối

“repeating sequence” để giảm dòng kích từ 30% theo thời gian mô phỏng:

 Thời gian mô chạy mô phỏng: Ex_time = [0 0,2 0,2 5]

 Giá trị điện áp kích từ tương ứng: Ex_value = [1 1 0,7 0,7]E f0

 Các giá trị được tính toán thông qua các file: nhapS1, M1, S1 cho kết quả như phụ lục 4

Kết quả mô phỏng bằng đồ thị: như hình 4.22-1, 4.22-2

Máy phát điện đồng bộ vận hành ở chế độ thiếu kích từ, sẽ làm việc bình thường nếu các thông số còn nằm trong định mức, tương đương với vùng làm việc phía nửa dưới của đường cong khả năng phát công suất phản kháng như hình 1.13 mục 1.4.1.4 Theo kết quả mô phỏng khi thay đổi giảm dòng kích từ, góc công suất δ sẽ tăng, công suất vô công giảm theo Khảo sát này phù hợp với phần lý thuyết trình bày ở mục 1.4

Trong cả hai trường hợp quá kích từ và thiếu kích từ, khi tăng hoặc giảm dòng kích từ thì dòng điện phần ứng đều tăng, giá trị thấp nhất tương ứng với điểm có công suất vô công bằng không và cosφ bằng 1, điều này phù hợp với đặc tính hình V của máy phát đồng bộ trình bày ở hình 1.14 mục 1.4.1.5

Qg en (p u) time (sec) CONG SUAT VO CONG

Hình 4.22-1 Đồ thị chế độ thiếu kích thích 1

-2 0 2 ia (pu ) time (sec) DONG TUC THOI PHA a

Hình 4.22-2 Đồ thị chế độ thiếu kích thích 2 4.9.3 Chế độ làm việc khi tổ máy mất kích thích

Như đã trình bày ở mục 1.4.2 khi tổ máy mất kích thích khi đang kết nối với hệ thống, máy phát sẽ nhận một lượng lớn công suất vô công từ hệ thống để từ hóa và tiếp tục phát công suất hữu công vào hệ thống

Khảo sát chế độ mất kích thích được thực hiện bằng cách dùng khối

“repeating sequence” để giảm dòng kích từ về không theo thời gian mô phỏng:

 Thời gian mô chạy mô phỏng: Ex_time = [0 0,2 0,2 3]

 Giá trị điện áp kích từ tương ứng: Ex_value = [1 1 0 0]E f0

 Các giá trị được tính toán thông qua các file: nhapS1, M1, S1 cho kết quả như phụ lục 5

Kết quả mô phỏng bằng đồ thị:

 Như hình 4.23-1, 4.23-2 ứng với thời gian chạy mô phỏng là 3 giây

 Như hình 4.23-3, 4.23-4 ứng với thời gian chạy mô phỏng là 5 giây

Qg en (p u) time (sec) CONG SUAT VO CONG

Hình 4.23-1 Đồ thị chế độ mất kích thích 1

-2 0 2 ia ( pu) time (sec) DONG TUC THOI PHA a

Hình 4.23-2 Đồ thị chế độ mất kích thích 2

Qge n (pu ) time (sec) CONG SUAT VO CONG

Hình 4.23-3 Đồ thị chế độ mất kích thích 3

-5 0 5 ia (pu ) time (sec) DONG TUC THOI PHA a

Hình 4.23-4 Đồ thị chế độ mất kích thích 4

Khi mất kích thích công suất vô công của tổ máy âm nhiều và dao động, dòng phần ứng cũng tăng cao và dao động, điều này thể hiện việc nhận vô công từ hệ thống để từ hóa và phù hợp theo đặc tính hình V của máy phát đồng bộ

Góc công suất δ tăng cao tương tự như đã khảo sát ở chế độ thiếu kích từ Công suất máy phát và momen điện dao động do có sự thay đổi đột ngột của dòng kích từ

4.9.4 Thay đổi điện áp máy phát

Khảo sát ảnh hưởng đến hệ thống kích từ khi điện áp hệ thống thay đổi bằng cách dùng khối “repeating sequence” để thay đổi điện áp thanh cái ± 0,5% theo thời gian mô phỏng:

 Thời gian mô chạy mô phỏng: Vm_time = [0 1 1 3 3 5]

 Giá trị điện áp kích từ tương ứng: Vm_value = [1 1 1,05 1,05 1,05 1,05]V m (tăng điện áp); [1 1 0,95 0,95 0,95 0,95]V m (giảm điện áp)

Kết quả mô phỏng bằng đồ thị: như hình 4.24, 4.25

-1 0 1 ia (pu ) t (sec) DONG TUC THOI PHA a

Hình 4.24-1 Đồ thị tăng điện áp thanh cái

Qg en (p u) time (sec) CONG SUAT VO CONG

Hình 4.24-2 Đồ thị tăng điện áp thanh cái

Qge n (pu ) time (sec) CONG SUAT VO CONG

Hình 4.25-1 Đồ thị giảm điện áp thanh cái

-2 0 2 ia (pu ) t (sec) DONG TUC THOI PHA a

Hình 4.25-2 Đồ thị giảm điện áp thanh cái Nhận xét:

Khi thay đổi điện áp thanh cái thì điện áp đầu cực máy phát sẽ thay đổi theo Góc công suất δ sẽ giảm khi điện áp tăng và tăng khi điện áp giảm

Khi điện áp thay đổi theo hướng tăng điện dòng kích từ sẽ giảm tương ứng, ngược lại khi giảm điện áp thì dòng kích từ tăng

Công suất vô công sẽ dao động theo hướng tăng hoặc giảm tương ứng với dòng kích từ.