Tóm tắt: Báo cáo gồm có các nội dung chính: 1. Từ lý thuyết máy điện, phân tích và tính toán để kiểm nghiệm đặc tính công suất cho máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La, có so sánh với bản vẽ nhà thầu Alstom cung cấp để đảm bảo nghiên cứu là chính xác. 2. Trên cơ sở đó tác giả đã viết phần mềm “Power characteristic curve 1.1” vẽ đặc tính công suất máy phát đồng bộ cực lồi, với dữ liệu nhập vào tùy chọn và khả năng tùy biến cao các đặc tính. 3. “Power characteristic curve 1.1” có tính ứng dụng cao: Giúp tối ưu hóa chế độ vận hành, tra cứu, đào tạo, khảo sát năng lực điều chỉnh công suất của tất cả các máy phát trên hệ thống điện với thông số kỹ thuật khác nhau.
Trang 11
KIỂM NGHIỆM ĐẶC TÍNH CÔNG SUẤT
CỦA MÁY PHÁT SF400-66/16470 NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SƠN LA
Đỗ Việt Bách
Công ty Thủy điện Sơn La
Tóm tắt: Báo cáo gồm có các nội dung chính:
1 Từ lý thuyết máy điện, phân tích và tính toán để kiểm nghiệm đặc tính công suất cho máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La, có so sánh với bản vẽ nhà thầu Alstom cung cấp để đảm bảo nghiên cứu là chính xác.
2 Trên cơ sở đó tác giả đã viết phần mềm “Power characteristic curve 1.1” vẽ đặc tính công suất máy phát đồng bộ cực lồi, với dữ liệu nhập vào tùy chọn và khả năng tùy biến cao các đặc tính
3 “Power characteristic curve 1.1” có tính ứng dụng cao: Giúp tối ưu hóa chế độ vận hành, tra cứu, đào tạo, khảo sát năng lực điều chỉnh công suất của tất cả các máy phát trên hệ thống điện với thông số kỹ thuật khác nhau
1 CÔNG THỨC P - Q TỔNG QUÁT CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CỰC LỒI
Vì trong máy phát điện cực ẩn khe hở là đều, rotor đối xứng nên điện kháng đồng bộ dọc trục
Xd điện kháng đồng bộ ngang trục Xq, Còn trong máy điện cực lồi khe hởi dọc trục và ngang trục là khác nhau nên Xd Xq.
Với máy phát đồng bộ cực lồi: U Eq jI Xd d jI Xq q
Hình 1
Trang 22
Từ hình 1 ta thành lập được hệ phương trình P – Q tổng quát của máy phát đồng bộ cực lồi:
2
1 1 sin sin 2 (1)
2 ( )
cos cos 2 (2)
P
I
Q
Từ hệ phương trình (I) ta thấy khi Xd Xq công suất tác dụng, công suất phản kháng của máy phát cực ẩn chỉ là trường hợp riêng của máy phát cực lồi
2 KIỂM NGHIỆM ĐẶC TÍNH P - Q MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN SƠN LA BẰNG TÍNH TOÁN
Với công thức P – Q tổng quát cho máy phát đồng bộ cực lồi (1) ta sẽ vẽ các đường đặc tính công suất từ thông số của máy phát SF400-66/16470 Nhà máy thủy điện Sơn La ứng với điện áp đầu cực không đổi Ustato = 1pu
Thông số máy phát được sử dụng từ tài liệu “HCN SLA 00 MKA ED 00 000_Electrical calculation_Rev.C” (Generator Electrical Calculation Result) của Alstom
Thông số chính:
1.074 0.706
d
q
X X
2.1 Giới hạn quá nhiệt stato
Dòng điện chạy trên thanh dẫn stato sinh ra tổn thất đồng là nguyên nhân làm tăng nhiệt stato máy phát
Dễ thấy dòng điện trên thanh dẫn stato được xác định theo công thức:
2 2
S I
Đặc tính P – Q của máy phát được xây dựng với giả thiết điện áp đầu cực luôn không đổi nên theo công thức trên dòng điện trên thanh dẫn tỉ lệ với công suất biểu kiến S
Xây dựng đặc tính P – Q trong hệ đơn vị tương đối với P = Q = 1 pu, khi đó giới hạn quá nhiệt stato được xác định 2 2
1
S P Q p u → Giới hạn này chính là đường tròn tâm 0 có bán kính = 1 pu
Trên trục Q – P vẽ đường tròn bán kính R0 = 1p.u lấy nửa đường tròn là phần P > 0 ta được giới
hạn quá nhiệt stato
Trang 33
2.2 Giới hạn turbine
Theo đặc tính máy phát SF400-66/16470 có thể phát P = 444.44 MW, nhưng máy phát nhận năng lượng cơ trực tiếp từ turbine nên chịu phụ thuộc vào công suất định mức và hiệu suất của turbine
Đường giới hạn công suất turbine đơn giản là đường thẳng song song với trục Q và cắt P tại
P = Pturbine
Công suất định mức của turbine 406.92 MW kết hợp với hiệu suất của turbine là phù hợp với công suất đặt của máy phát là 400 MW Vì ta chỉ quan tâm đến đặc tính công suất của máy phát nên trong báo cáo này sẽ không vẽ đường giới hạn công suất turbine
2.3 Giới hạn quá nhiệt rotor - quá kích thích
Khi máy phát quá kích thích sẽ dẫn đến cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, công suất vô công Q tăng làm các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp tự dùng sẽ bị quá kích thích, b o hòa từ hóa, và gây quá nhiệt
Chính vì vậy để giới hạn quá nhiệt rotor cần khống chế dòng kích từ nhỏ hơn dòng kích từ tới hạn If If(th)
(th)
f
I tương ứng với sức điện động ngang trục Emax
Từ phương trình hệ phương trình P Q (I) của máy phát cực lồi:
2 max
max
1 1
2
P
Q
Emax là giá trị E thỏa mãn tại các giá trị định mức đặt hàng với nhà thầu, với máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La có: Pđm = 400M W & cosφđm = 0.9 (U = const = 1)
Vì điện kháng đồng bộ ngang trục Xq 0.706, nên Emax với máy phát là thủy điện Sơn La không thể lớn hơn 1 0.706 1 2.42 pu
Emax được xác định như sau:
Chia nhỏ giá trị của δ thành các ( ⁄ ) với giá trị n1 đủ nhỏ Nếu chia thành
1000 giá trị ( )⁄
Dựa theo đặc tính hình V nhà thầu cung cấp chia nhỏ giá trị của E thành các ( ) với giá trị n2 đủ nhỏ Nếu chia thành 1000 giá trị ⁄
Trang 44
Thực hiện 2 vòng lặp với ta có tất cả bước lặp, tại mỗi bước lặp ta tính được , so sánh với ⁄ √ cùng nhỏ hơn sai số cho phép ta có cần xác định
Dùng thuật toán trên ta xác định được Emax = 1.7431 pu tương ứng với δ = 0.452 rad (25.90o) với sai số P & Q cùng nhỏ hơn 0.001 pu (0.4 MW)
Vẽ đồ thị 2 trục Q, P với các giá trị hằng số: Emax = 1.7431, U = 1 ta được giới hạn theo Emax trên đặc tính P Q
2.4 Đường ổn định theo lý thuyết
Đường ổn định theo lý thuyết là đường ổn định tính toán của máy phát điện cực lồi theo góc ổn định giữa rotor máy phát và hệ thống
Theo lý thuyết ổn định, máy phát ổn định với ⁄ , tại góc ⁄ phải là 1 cực trị của hàm công suất tác dụng P
Như vậy lấy đạo hàm của P và gán dP 0
d điểm giới hạn được xác định ở góc tải s là nghiệm của phương trình dP 0
d
Từ (1) của hệ phương trình (I) ta có:
2
q
E U dP
s
thỏa mãn:
2
q
E U
X X X
Hay:
os
Thay (3) vào (1) suy ra:
Thay (3) vào (2) ta có:
Trang 55
2
os
Khi s 0
thì Ps 0
;
2
s
q
U Q X
Khi
0
90
s
thì Ps
;
2
s
d
U Q
X
Như vậy đường ổn định theo lý thuyết sẽ bắt đầu ở điểm có
2 1.4164
s
q
U Q
X
và tiệm cận
ra Ps tại
2
1
0.9311 1.074
s
d
U Q
X
Sử dụng công cụ toán học để vẽ đồ thị hàm số thỏa m n phương trình (4) & (5) ta được đường đặc tính ổn định theo lý thuyết
2.5 Giới hạn thiếu kích thích
Khi máy phát thiếu kích thích thì dẫn đến máy phát sẽ nhận công suất Q từ lưới về, lượng Q càng lớn thì khả năng stator bị quá dòng điện càng nhanh Khi từ trường giảm đến mức làm cho máy phát không thể chuyển công suất cơ thành công suất điện được nữa (máy phát bị mất kích thích) thì máy sẽ bị mất đồng bộ, tốc độ tăng lên nhanh chóng làm cho máy bị vượt tốc Nếu máy phát có công suất lớn sẽ gây mất ổn định hệ thống
Giới hạn thiếu kích thích được cài đặt trong miền công suất tác dụng P thấp & máy phát hút Q nhỏ hơn một giá trị Qmin khi đó phản ứng phần ứng là trợ từ rất mạnh => dòng kích thích If
đưa vào rotor rất nhỏ => Ef có thể nhỏ hơn ngưỡng tối thiểu AVR cảm nhận để đáp ứng được làm cho máy phát có thể bị mất kích từ
Chính vì vậy đầu tiên ta sẽ chuyển đặc tính mất kích từ theo tổng trở lên đặc tính P Q máy phát, sau đó vẽ đặc tính thiếu kích thích theo dòng kích từ tối thiểu AVR có thể điều khiển
Tham khảo trang 21/79 tài liệu “HCN SLA 00 0BE FQ 00 101_B UNIT SETTINGS” Alstom cung cấp về cài đặt bảo vệ mất kích từ máy phát Thủy điện Sơn La
Với:
'
Ta sẽ chuyển đổi đặc tính mất kích từ trên hệ trục tổng trở (X-R) sang hệ trục công suất (P - Q)
Trang 66
Với UU dm ta xác định điểm E1 có tọa độ:
'
2
P
Q
d d
E E
Ta xác định điểm F1 có tọa độ:
'
1 0
0.285
P
Q
d
F F
X
Vẽ đường tròn có đường kính & lấy trong miền giới hạn nhiệt stato ta có đặc tính thiếu kích thích
Trong vùng thiếu kích thích mạch từ là tuyến tính vì vậy hoàn toàn có thể coi mạch từ không bão hòa hay Iftỉ lệ thuận với E
Theo thông số máy phát thì: 1 ( ) 1028p u I f A1E
Và khi không tải: (I f) 1140 A
Suy ra quan hệ ( ,E I f):
1140
1.109 1028
f
Như vậy ta sẽ vẽ đặc tính P Q với dòng kích từ Min nhỏ nhất AVR kích từ Nhà máy thủy điện Sơn La có thể điều khiển = 10% Ikt (đm) hay với 10% 1
Trên matlab vẽ đồ thị P – Q thỏa mãn E = 1/11.09 ta có đồ thị sau:
Trang 77
Theo đặc tính trên bảo vệ mất kích từ 40G đảm bảo sẽ trip máy trước khi mất kích từ thật sự, tức là trước ngưỡng nhỏ nhất AVR có thể cảm nhận và còn điều chỉnh được dòng kích từ
2.6 Công suất từ trở
Đường công suất từ trở là đường đặc tính chỉ trạng thái công suất mà máy phát có thể sản xuất khi hoàn toàn mất tích từ (E = 0)
Thay E = 0 vào hệ phương trình (I) ta có:
2
1 1
sin 2 2
q d
U P
os2
Sử dụng toán học khảo sát hai hàm P Q trên cho ta đường công suất từ trở của máy phát
2.7 Ổn định theo thực tế
Trong bản vẽ “HCN SLA 00 MKA ED 00 000_Electrical calculation_Rev.C” do Alstom cung cấp có đường ổn định theo thực tế
Đây là đường ổn định khi máy phát SF400-66/16470 nối với hệ thống, ta xem xét ổn định của máy phát được cộng thêm điện kháng MBA và đường dây, lúc này điện áp U không còn ở đầu cực máy phát mà được coi là U tại 1 điểm đủ xa trên hệ thống có:
Vì hệ thống lớn hơn rất nhiều với máy phát, nên ta sẽ mô phỏng với xd , các đường dây truyền tải công suất không có khe hở dọc trục & ngang trục của dây cuốn trên mạch từ nên ta bỏ qua điện kháng ngang trục
Chọn điện kháng ngang trục của hệ thống = điện kháng MBA ta có:
3
dm
I
U
Nên ta chọn:
X X X
d
X chọn đủ lớn đến khi không ảnh hưởng tới đặc tính
Thay Xd+ , Xq+ vào 2 phương trình của giới hạn ổn định theo lý thuyết:
Trang 88
tan sin
q d
2
os
X X X
Vẽ đồ thị hàm số (Q ,stt P stt) ta có đặc tính ổn định theo thực tế
2.8 Tổng hợp các đặc tính
Tác giả đ sử dụng Matlab để khảo sát các đồ thị toán học trên, sau khi kết hợp các đường đặc tính, ta được đặc tính P Q của máy NMTĐ Sơn La:
Chuyển sang hệ tọa độ có tên ta có đồ thị sau:
Trang 99
Nhận xét:
Các đường giới hạn: Quá nhiệt stato, ổn định theo lý thuyết, công suất từ trở, thiếu kích thích theo AVR có tọa độ là trùng khớp với bản vẽ đặc tính P – Q Alstom cung cấp qua bản vẽ “HCN
SLA 00 MKA ED 00 000_Electrical calculation_Rev.C”
Giới hạn thiếu kích thích: Tác giả đ xây dựng thêm đặc tính này từ việc chuyển tọa độ X – R
của bảo vệ mất kích từ 40G sang trục tọa độ P – Q, kết quả cho thấy bảo vệ 40G đảm bảo yêu cầu dừng tổ máy trước khi AVR mất khả năng điều khiển dòng kích từ, như vậy cài đặt 40G là tin cậy
Giới hạn Emax Giới hạn quá nhiệt rotor: Được xây dựng từ việc lặp để xác định Emax tại thời điểm P = Pđm =400 MW & Q = Qđm = 192 MVar sau đó đặc tính P – Q được vẽ với Emax cố định đó Tuy nhiên đường này lại có sai khác với giới hạn trên bản vẽ Alstom cung cấp Trong thực tế giới hạn quá nhiệt rotor được set với dòng kích từ Ikt ≤ 1.1Ikt (đm), nếu theo thực tế này thì cách xây dựng đặc tính tác giả chính xác
Ổn định theo thực tế: Đường này được xây dựng từ giới hạn theo lý thuyết, vì không có thông
số về hệ thống mà Altoms giả định, nên tác giả coi điểm khảo sát có Xq bằng điện kháng MBA 18/500kV & có Xd rất lớn Giả định này sau khi xây dựng trên đặc tính P – Q có sai số nhỏ so với bản vẽ của Alstom
Việc xây dựng các đường đặc tính, đặc biệt là xây dựng chính xác trong vùng thiếu kích thích là
cơ sở chắc chắn cho nghiên cứu cải tiến khả năng hút Q của máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La
3 PHẦN MỀM: “POWER CHARACTERISTIC CURVE 1.1”
Từ lý thuyết xây dựng ở các phần trên, tác giả đã viết phần mềm “Power characteristic curve 1.1” chạy độc lập trên windows với giao diện đồ họa dễ dàng cho nghiên cứu, đào tạo và vận hành
3.1 Giao diện và khả năng sử dụng của “Power characteristic curve 1.1”
Dữ liệu nhập vào tùy chọn: Người dùng nhập từ bàn phím hoặc tích chuột chọn “Default”
chương trình sẽ tự điền thông số của máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La
Cho phép tùy biến các đặc tính: Các đặc tính người dùng có thể thay đổi các thông số cho phù
hợp với mục đích sử dụng như: Thay đổi góc rotor max, thay đổi giá trị điện kháng cộng thêm cho đặc tính ổn định theo thực tế
Đồ thị trực quan: Có thể 1 tích chuột vẽ tất cả, hoặc tích vào đặc tính nào chương trình sẽ vẽ
đặc tính đó, màu của đồ thị trùng với màu tên của đặc tính
Cho phép chuyển giữa đơn vị tương đối và đơn vị có tên: Thuận tiện cho tra cứu vận hành
Trang 1010
Công cụ đồ thị mạnh: Vì phần mềm được biên dịch từ matlab nên có được các công cụ mạnh
của matlab trên đồ thị như lấy tọa độ điểm chính xác, phóng to hoặc thu nhỏ, di chuyển đồ thị, xoay 3D
Hỗ trợ tính được E q và δ: Với dữ liệu nhập vào là P, Q, U và sai số cho phép, chương trình hỗ
trợ xác định được Eq và δ Cho thấy sự xác định đầy đủ thông số xác lập máy phát điện
3.2 Khả năng ứng dụng của “Power characteristic curve 1.1”
Ứng dụng khi giảm điện áp < 95% điện áp định mức có thể xác định máy phát sẽ ổn định trong dải P – Q bao nhiêu, đây là cơ sở khoa học chắc chắn cho đề xuất giảm điện áp đầu cực máy phát Thủy điện Sơn La xuống < 17.1 kV (17.1 kV = 95% USđm(MF TĐSL) )
Tra cứu trong thực tiễn vận hành: Kiểm tra giá trị P – Q thuộc đặc tính công suất trước khi thay đổi công suất tổ máy
Ứng dụng trong đào tạo để hiểu rõ hơn về bản chất của đặc tính công suất máy phát đồng bộ cực lồi
Dùng cho công tác đánh giá ảnh hưởng của Xd, Xq đến năng lực điều chỉnh P, Q của tổ máy Phục vụ lập thiết kế, lập hồ sơ mời thầu máy phát
Ví dụ ứng dụng của “Power characteristic curve 1.1”:
Ta sẽ kiểm tra máy phát Thủy điện Sơn La SF400-66/16470 đang bù đồng bộ với P = - 6.5 MW;
Trang 1111
Q = - 209.8 MVar khi giảm điện áp đầu cực còn U18kV(S) = 16.64 kV
Sử dụng phần mềm “Power characteristic curve 1.1” dễ dàng kiểm tra được điều này:
Chương trình cho thấy với điện áp 16.64 kV máy phát có thể thu Qmax = -312 MVar, với
Q = -209.8 MVar đảm bảo nằm trong vùng đặc tính P – Q Như vậy tổ máy bù có thể giảm điện
áp xuống 16.64 kV (< 95% điện áp định mức) thu Q để giữ điện áp 500 kV của hệ thống mà vẫn đảm bảo tổ máy vận hành ổn định
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Máy điện 1 - Vũ Gia Hanh (chủ biên), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
[2] Máy điện 2 - Vũ Gia Hanh (chủ biên), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
[3] Phân tích chế độ xác lập đường dây tải điện và lưới điện - Đỗ Xuân Khôi
[4] Vận hành nhà máy điện - Trịnh Hùng Thám
[5] Máy biến áp - Phạm Gia Bình, Lê Văn Doanh, Tôn Long Ngà
Trang 1212
[6] Thử nghiệm bảo vệ mất kích từ trên cơ sở phối hợp làm việc với đặc tính máy phát - Lê Kim Hùng, Vũ Hoài Nam
[7] Underexcitation Protection based on Admittance Measurement - Dr Hans-Joachim Herrmann