khảo sát các chế độ vận hành của máy phát điện trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN GVHD : TSKH. HỒ ĐẮC LỘC KS. HUỲNH CHÂU DUY SVTH : ĐẶNG TUẤN QUỐC VIỆT MSSV : 00DDC149 LỚP : 00DDC1 TP.HCM, Tháng 1/2005 Mục lục *** LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU trang Chương 1: Máy phát điện đồng bộ 1 1.1. Máy phát điện đồng bộ 2 1.1.1. Cấu tạo máy điện đồng bộ 3 1.1.2. Phân loại 10 1.1.2.1. Máy phát điện đồng bộ 10 1.1.2.2. Động cơ điện không đồng bộ 10 1.1.2.3. Máy bù đồng bộ 10 1.2. Máy phát điện đồng bộ rôto cực ẩn 11 1.3. Máy phát điện đồng bộ rôto cực lồi 12 Chương 2: Quá trình quá độ của máy phát điện đồng bộ 14 2.1. Phân tích các quá trình quá độtrong máy điện đồng bộ 15 2.2. Các thành phần DC của dòng stato 20 2.3. Xác đònh các hằng số quá độ 21 Chương 3: Điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 24 3.1. Khái niệm điều khển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 25 3.2. Các hệ thống tự động điều khiển máy phát cơ bản 25 3.3. Điều khiển tần số công suất (LFC) 26 3.3.1. Mô hình máy phát 27 3.3.2. Mô hình tải 31 3.3.3. Mô hình động cơ sơ cấp 32 3.3.4. Mô hình bộ điều tốc 33 3.3.4.1. Bộ điều tốc 33 3.3.4.2. Bộ hồi tiếp cơ học 33 3.3.4.3. Bộ khuyếch đại thủy lực 33 3.3.4.4. Bộ thay đổi tốc độ 34 3.4. Điều chỉnh điện áp máy phát và phân phối công suất phản kháng 37 3.4.1. Mô hình của bộ khuyếch đại 38 3.4.2. Mô hình của bộ kích từ 38 3.4.3. Mô hình của máy phát 39 3.4.4. Mô hình của bộ biến cảm 39 Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 41 4.1. Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 42 4.1.1. Đại cương 42 4.1.2. Các đặc tính của máy phát điện đồng bộ 42 4.1.2.1. Đặc tính không tải 43 4.1.2.2. Đặc tính ngắn mạchvà tỉ số ngắn mạch K 43 4.1.2.3. Đặc tính tải 47 4.1.3. Cách xác đònh các tham số của máy phát điện đồng bộ 49 4.1.3.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục 49 4.1.3.2. Điện kháng tản x  u 50 4.1.4. Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ 51 4.2. Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải không đối xứng 53 4.2.1. Đại cương 53 4.2.2. Các tham số của máy phát điện đồng bộ khi làm việc ở tải không đối xứng 55 4.2.2.1. Tổng trở thứ tự thuận z 1 = r 1 + jx 1 55 4.2.2.2. Tổng trở thứ tự ngược z 2 = r 2 + jx 2 55 4.2.2.3. Tổng trở thứ tự không z 0 = r 0 + jx 0 58 4.2.3. nh hưởng của tải không đối xứng 59 4.2.3.1. Điện áp của máy phát điện khi làm việc ở tải không đối xứng 59 4.2.3.2. Tổn hao và rôto nóng 59 4.2.3.3. Hiện tượng máy rung 60 4.2.4. Ngắn mạch không đối xứng 60 4.2.4.1. Ngắn mạch một pha 60 4.2.4.2. Ngắn mạch hai pha 63 4.3. Máy phát điện đồng bộ làm việc song song 65 4.3.1. Đại cương 65 4.3.2. Ghép một máy phát điện đồng bộ làm việc song song 65 4.3.2.1. Các phương pháp hòa đồng bộ chính xác 66 4.3.2.1.1. Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu ánh sáng 66 4.3.2.1.2. Hòa đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ 68 4.3.2.2. Phương pháp tự đồng bộ 69 4.3.3. Điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát đồng bộ 70 4.3.3.1. Điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện đồng bộ 70 4.3.3.1.1. Trường hợp máy phát điện làm việc trong hệ thống điện công suất vô cùng lớn 70 4.3.3.1.2. Trường hợp máy phát điện công suất tương tự làm việc song song 73 4.3.3.2. Điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ 73 Chương 5: Khảo sát máy phát điện đồng bộ trong mô hình máy điện thực tế tại phòng thí nghiệm hệ thống điện trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 76 5.1. Giới thiệu chung về mô hình nhà máy điện tại phòng thí nghiệm hệ thống điện – Bộ môn hệ thống điện –Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 77 5.2. Các thành phần của mô hình 78 5.2.1. Nhóm máy điện 78 5.2.1.1. Động cơ điện xoay chiều ba pha 78 5.2.1.2. Máy phát điện một chiều 78 5.2.1.3. Động cơ điện một chiều 78 5.2.1.4. Máy phát điện xoay chiều 79 5.2.2. Trạm phân phối điện 79 5.2.3. Bảng và bàn điều khiển 79 5.2.3.1. Ký hiệu máy cắt, dao cách ly 79 5.2.3.2. Khóa xoay nhận 79 5.2.3.3. Đèn hiển thò 80 5.2.3.4. Đồng hồ đo 80 5.2.3.5. Nút nhấn 80 5.2.3.6. Bộ đồng hồ hòa đồng bộ 81 5.2.3.7. Khóa lựa chọn điện áp, dòng điện 81 5.2.3.8. Liên động giữa máy cắt và dao cách ly 81 5.3. Quá trình hoạt động của mô hình 81 5.3.1. Khảo sát chi tiết mô hình 82 5.3.1.1. Khảo sát động cơ điện ba pha 82 5.3.1.1.1. Thông số của động cơ điện AC ba pha 82 5.3.1.1.2. Mạch khởi động động cơ AC ba pha 82 5.3.1.1.3.1.Sơ đồ thực tế 82 5.3.1.1.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 83 5.3.1.1.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ AC 84 5.3.1.2. Khảo sát máy phát DC 85 5.3.1.3. Khảo sát động cơ DC 85 5.3.1.3.1. Thông số cơ bản của động cơ điện DC 85 5.3.1.3.2. Mạch khởi động động cơ DC 86 5.3.1.3.3.1.Sơ đồ thực tế 86 5.3.1.3.3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển 86 5.3.1.3.3.3.Đặc tuyến môment-tốc độ khi khởi động của động cơ DC 87 5.3.1.4. Khảo sát máy phát điện AC 88 5.3.1.4.1. Thông số của máy phát AC ba pha 88 5.3.1.4.2. Quá trình vận hành hòa đồng bộ máy phát ba pha vào lưới 88 5.3.1.4.3. Trình tự thao tác và vận hành hệ thống 88 5.3.1.4.4. Điều chỉnh công suất tác dụng 89 5.3.1.4.5. Điều chỉnh công suất phản kháng 90 5.3.1.4.6. Các điều kiện để hòa đồng bộ máy phát vào lưới 90 5.3.1.4.7. Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất kích từ 91 5.3.1.4.8. Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất động cơ kéo 91 5.3.1.4.9. Khảo sát máy phát AC ba pha trong trường hợp mất kích thíchø và lực kéo 92 Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ với Matlab 93 6.1. Giới thiệu về Simulink của Matlab 94 6.1.1. Giới thiệu sơ lược về Matlab 94 6.1.2. Giới thiệu các giao diện của Matlab 95 6.1.2.1. Khởi động Matlab 95 6.1.2.2. Giới thiệu các giao diện của Matlab 95 6.1.2.2.1. Giao diện chính của Matlab 95 6.1.2.2.2. Giao diện Simulink của Matlab 96 6.1.2.2.3. Giao diện thư viện các phần tử mô phỏng của Matlab 97 6.1.2.2.4. Thoát khỏi Matlab 98 6.1.3. Các thư viện cơ bản Simulink của Matlab 99 6.1.3.1. Nguồn áp xoay chiều 99 6.1.3.2. Nguồn áp một chiều 100 6.1.3.3. Diode 101 6.1.3.4. Nối đất 102 6.1.3.5. Nhánh RLC song song 102 6.1.3.6. Tải RLC song song 104 6.1.3.7. Nhánh RLC nối tiếp 105 6.1.3.8. Tải RLC nối tiếp 106 6.1.3.9. Đo điện áp 108 6.1.3.10. HTG 109 6.1.3.11. Hệ thống kích từ trong Matlab 112 6.2. Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát 114 6.2.1. Khảo sát chế độ vận hành bình thường của máy phát trong hệ thống điện 115 6.2.1.1. Sơ đồ mô phỏng 115 6.2.1.2. Các kết quả mô phỏng 116 6.2.1.2.1. Tốc độ quay của tuabin 116 6.2.1.2.2. Điện áp kích từ 116 6.2.1.2.3. Dòng stator 117 6.2.1.2.4. Điện áp pha a máy phát 117 6.2.2. Khảo sát chế độ sự cố ngắn mạch đầu cực máy phát 118 6.2.2.1. Sơ đồ mô phỏng 118 6.2.2.2. Các kết quả mô phỏng 119 6.2.2.2.1. Tốc độ quay của tuabin 119 6.2.2.2.2. Điện áp kích từ 119 6.2.2.2.3. Dòng stator 120 6.2.2.2.4. Điện áp pha a máy phát 120 Tài liệu tham khảo LỜI CẢM ƠN *** Em chân thành gởi lời cảm ơn đến trường ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ cùng quý thầy cô khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như truyền đạt cho em kiến thức vô cùng qúy báo trong suốt thời gian thực tập và làm luận án. Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Hồ Đắc Lộc, thầy Huỳnh Châu Duy đã dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận án này. Cuối cùng em xin gởi đến toàn thể quý thầy cô lời chúc tốt đẹp nhất để tiếp tục sự nghiệp trồng người của mình. Em xin chân trọng kính chào. Tp.HCM, ngày 03 háng 01 năm 2005 SV.Đặng Tuấn Quốc Việt LỜI NÓI ĐẦU Điện công nghiệp là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu,… bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ trong các hoạt động thực tế của con người. So với hiện tượng vật lý khác như cơ, nhiệt, quang … hiện tượng điện từ được phát hiện chậm hơn vì các giác quan của con người không cảm nhận trực tiếp được hiện tượng này. Tuy nhiên việc khám phá ra hiện tượng điện từ đã thúc đẩy mạnh mẽ cuộc cách mạng khoa học và kỹ thuật chuyển sang lónh vực điện khí hóa. Điện năng có ưu điểm nổi bật là có thể sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn, có thể truyền tải đi xa và phân phối tới nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ. Điện năng dể dàng biến đổi thành các dạng năng lượng khác. Mặt khác quá trình biến đổi năng lượng và tín hiệu điện từ dễ dàng tự động hóa và điều khiển từ xa, cho phép giải phóng lao động chân tay và cả lao động trí óc của con người. Cho đến ngày nay máy điện được biết như là một thiết bò điện từ thực hiện sự biến đổi cơ năng thành điện năng hoặc ngược lại. Như vậy máy điện là một phần tử quan trọng nhất của bất cứ thiết bò điện năng nào. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế … và trong các dụng cụ sinh hoạt gia đình. Với vai trò quan trọng của mình máy điện phải có khả năng tự động hóa cao trong việc điều chỉnh các thông số như điện áp, tần số, công suất … để góp phần vào việc nâng cao chất lượng điện năng nhằm đáp ứng kòp thời tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa cũng như thỏa mãn tốt nhất nhu cầu của con người. Xuất phát từ tầm quan trọng trên, được sự cho phép của nhà trường và khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ em đã quyết đònh chọn đề tài “KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN” làm chuyên đề cho luận án tốt nghiệp của mình. Luận án gồm có 6 chương được chia thành 3 phần : _Chương 1,2,3,4: Giới thiệu về máy điện đồng bộ,trình bày trên cơ sở lý thuyết về các vấn đề khác nhau của máy phát điện như: quá trình quá độ máy phát điện đồng bộ, phương pháp điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống và các chế độ vận hành của máy phát… _Chương 5: Thực hiện vận hành và khảo sát thực tế máy phát điện đồng bộ trong mô hình nhà máy điện tại phòng thí nghiệm hệ thống điện Trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH. _Chương 6: Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ bằng phần mềm mô phỏng Matlab. Với thời gian có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên tất yếu luận án không tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn! CHÖÔNG 1 MAÙY PHAÙT ÑIEÄN ÑOÀNG BOÄ Máy phát điện là một trong những thiết bò điện từ gồm: mạch điện và mạch từ liên hệ với nhau.  Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí.  Mạch điện gồm có hai hay nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng với các bộ phận mang chúng. Máy phát điện thực hiện biến đổi cơ năng thành điện năng, trong đó phần cơ sơ cấp có thể là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước … Sự biến đổi cơ điện trong máy phát điện dựa trên nguyên lý về cảm ứng điện từ. Nguyên lý này cũng đặt cơ sở cho sự làm việc của các bộ biến đổi cảm ứng dùng để biến đổi điện năng với những giá trò của thông số này (điện áp, dòng điện, …) thành điện năng với những giá trò của thông số khác. Hình 1.1.Máy phát điện đồng bộ 3 pha. 1.1.Máy phát điện đồng bộ: Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng với tốc độ quay của từ trường n 1 trong máy. Máy điện đồng bộ có hai dây quấn :dây quấn Máy phát Bộ kích từ [...]... dòng điện một chiều cho cực từ của máy phát đồng bộ và máy phát điều chỉnh để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của tuabin CHƯƠNG 2 QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Quá trình quá độ của máy phát điện đồng bộ là một trong những quá trình quan trọng, cần phải khảo sát và phân tích thật tỉ mỉ để trên cơ sở đó có thể vận hành thiết bò đạt được hiệu quả tốt nhất 2.1.Phân tích các. .. Mạch điện tương đương của máy phát điện đồng bộ ở thời kỳ siêu quá độ, bỏ qua điện trở dây quấn là : I d'' Eo Xd'' V Hình 2.2.Mạch điện tương đương của máy điện đồng bộ ở thời kỳ siêu quá độ Từ mạch điện tương ở hình 2.2, ta có phương trình cân bằng điện áp một pha của máy điện đồng bộ ở thời kỳ siêu quá độ là : E0 = V + jXd’’Id’’ (2.2) Trong đó: E0 :sức điện động không tải V : điện áp đầu cực máy phát. .. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Cho đến ngày nay, điều khiển hệ thống điện là vấn đề liên quan đến việc thiết lập trạng thái hoạt động bình thường và các điều kiện thuận lợi của sự phát ra điện năng của hệ thống điện Chương này đề cặp đến việc điều khiển cô ng suất phản kháng và công suất tác dụng để duy trì hệ thống ở trạng thái xác lập Thêm vào đó là trình bày các mô hình đơn giản của các. .. kháng và biên độ điện áp Điều khiển tần số công suất (LFC) để đạt được tính lớn mạnh của các hệ thống liên kết và tạo ra hoạt động tin cậy của hệ thống liên kết Ngày nay nó vẫn là nền tảng của các khái niệm hiện đại để điều khiển các hệ thống lớn Các phương pháp này được áp dụng để điều khiển các máy phát riêng lẻ, và cuối cùng là điều khiển các hệ thống lớn, giữ vai trò quan trọng ở các trung tâm... giản của các thành phần cơ bản được sử dụng để điều khiển hệ thống điện Mục tiêu chiến lược của việc điều khiển phát và phân phối công suất trong hệ thống liên kết nhằm đảm bảo chế độ làm việc ổn đònh, kinh tế với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống là việc duy trì điện áp và tần số ở trong một giới hạn cho phép 3.1.Khái niệm điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện: Sự thay đổi... cố đònh trong thân máy Trong các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo theo kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dầy Thân máy phải thiết kế và chế tạo để sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện Nắp máy cũng được chế tạo trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục đặt cố đònh trên kệ máy 1.3 .Máy điện đồng... Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chổ điện trở các thanh dẩn của nó lớn hơn Stato của máy đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như của máy đồng bộ cực ẩn Trục của máy đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như ở các động cơ đồng bộ, máy bù đồng bộ, máy phát điện diezel hoặc máy phát tuabin nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn ( khoảng trên 200 vòng/phút) Ở trường hợp máy phát tuabin... loại : Máy đồng bộ cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2p =2) và máy đồng bộ cực lồi thích hợp khi tốc độ quay thấp (2p  4) Theo chức năng có thể chia máy điện đồng bộ thành các loại chủ yếu sau : 1.1.2.1 .Máy phát điện đồng bộ: Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay... bởi động cơ sơ cấp với tốc độ xác đònh và được kích từ bằng dòng điện một chiều Dây quấn kích từ có thể được cấp điện qua hệ thống vành trượt và chổi than từ những máy phát điện một chiều gắn cùng trục với rôto Tuy nhiên những hệ thống kích từ hiện đại thường sử dụng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lưu, được gọi là hệ thống kích từ không chổi than Hệ thống kích từ có nhiệm vụ duy trì điện áp máy phát. .. rôto quay với vận tốc xác đònh, từ trường của rôto sẽ cắt các dây quấn phần ứng stato và cảm ứng suất điện động xoay chiều hình sin ba pha lệch nhau một góc 2/3 Tần số của sức điện động cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ của rôto và số cực từ của máy Tần số của sức điện động cảm ứng được tính bởi: f  p n 2 60 (1.5) Trong đó: n là tốc độ của rôto hay tốc độ đồng bộ được tính bằng vòng/phút Trong điều kiện . thuyết về các vấn đề khác nhau của máy phát điện như: quá trình quá độ máy phát điện đồng bộ, phương pháp điều khiển máy phát điện đồng bộ trong hệ thống và các chế độ vận hành của máy phát _Chương. Đo điện áp 108 6.1.3.10. HTG 109 6.1.3.11. Hệ thống kích từ trong Matlab 112 6.2. Khảo sát các chế độ làm việc của máy phát 114 6.2.1. Khảo sát chế độ vận hành bình thường của máy phát trong. Chương 4: Các chế độ vận hành của máy phát điện đồng bộ trong hệ thống điện 41 4.1. Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tải đối xứng 42 4.1.1. Đại cương 42 4.1.2. Các đặc tính của máy phát điện đồng