Nguyên cứu ứng dụng PSS để ổn định công suất cho hệ thống máy phát điện nhà máy lọc dầu Dung Quất

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN NGUYỄN QUỐC HÙNG NGUYÊN CỨU ỨNG DỤNG PSS ĐỂ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 1: TS Nguyễn Lê Hòa Phản biện 2: TS.Võ Như Tiến Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật điều khiển tự động hóa họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 12 năm 2018 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa -Thư viện Khoa điện, Trường Đại học Bách MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Hệ thống phát điện NMLD gồm 04 máy phát STG công suất 4x27MW với thiết kế vận hành độc lập song song với lưới điện quốc gia Phương thức vận hành song song với lưới điện quốc gia đem lại nhiều lợi ích từ kinh tế đến kỹ thuật bao gồm: giảm thiểu chi phí lượng phục vụ sản xuất, tăng độ dự trữ ổn định công suất điện Tuy nhiên, thực tế vận hành song song với lưới điện EVN ghi nhận hệ thống bị dao động công suất lớn Do vậy, kết nối lưới sử dụng nhà máy bảo dưởng tổng thể, tất máy phát thời gian bảo dường cần nguồn cung cấp bên trường hợp cố máy phát, yêu cầu phải cấp điện lại nhanh từ lưới để cân công suất phụ tải Trong thời gian đến, NMLD thực nâng cấp mở rộng công suất nhà máy Nhu cầu công suất tăng thêm cho mở rộng nhà máy dự kiến cung cấp lưới điện quốc gia (EVN), giải vận hành ổn định song song với lưới điện EVN yêu cầu bắt buộc Trong năm gần đây, ổn định công suất (Power system stabilyser-PSS) yêu cầu bắt buộc hệ thống phát điện giới Tại Việt Nam, PSS ứng dụng rộng rãi cho nhà máy thủy điện mang lại hiệu cao ổn định hệ thống Đây sở kỹ thuật để tác giả đề xuất thực đề tài Xuất phát từ vấn đề thực tiễn nêu trên, đề tài “Nguyên cứu ứng dụng PSS để ổn định công suất cho hệ thống phát điện NMLD” nghiên cứu đánh giá tác động hệ thống PSS ổn định hệ thống điện chế độ vận hành NMLD Các kết thu từ đề tài hữu ích quan trọng trước đầu tư áp dụng vào thực tế Mục tiêu nghiên cứu Ngun cứu xây dựng mơ hình hệ thống máy phát điện để áp dụng cho nghiên cứu độ ổn định hệ thống điện Nhà máy lọc dầu Dung Quất Nghiên cứu, đánh giá hiệu PSS nâng cao ổn định công suất hệ thống điện Nhà máy lọc dầu Dung Quất Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hệ thống máy phát tuabine bao gồm tổ máy 4x27MW NMLD Dung Quất Đề tài nghiên cứu giới hạn phạm vi Nhà Máy lọc dầu Dung Quất hệ thống Điện EVN kết nối với nhà máy lọc dầu trạm điện E17 N i dung nhiệm vụ nghiên cứu - Nguyên cứu nguyên nhân gây dao động hệ thống, phướng thức ổn định hệ thống điện - Nghiên cứu thiết bị hệ thống điều khiển hệ thống điện bao gồm: Tuabin hơi, máy phát đồng bộ, hệ thống điều khiển kích từ, điều tốc, ổn định công suất PSS - Xây dựng mô hình hệ thống thực mơ đánh giá vấn đề liên quan đến ổn định hệ thống - Đánh giá kết mô với giá trị vận hành thực nhà máy Phư ng ph p ngu ên lý iện ph p nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu (Đối với đề tài): Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô Phương pháp nguyên cứu lý thuyết: - Lý thuyết xây dựng mơ hình máy phát điện, hệ thống kích từ, hệ thống điều tốc; - Lý thuyết phân tích ổn định hệ thống điện Phương pháp thực nghiệm: - Trên sở liệu tất thiết bị điện nhà máy; - Trên sở chế độ vận hành, thống số cài đặt thông số vận hành nhà máy; Phương pháp mô phỏng: - Thực mô thông qua mơ hình xây dựng Matlab; - Thực báo cáo đánh giá thơng qua mơ hình mơ Nguyên lý phương pháp (Đối với tiêu chuẩn): - Tuân theo tiêu chuẩn khuyến cáo IEEE, IEC ngh a hoa học thực tiễn c a đề tài Xây dựng mơ hình hệ thống phát điện cho nhà máy Lọc dầu Dung Quất bao gồm: - Mơ máy phát điện đồng bộ, hệ thống kích từ - Mơ hình tuabin điều tốc - Xây dựng mơ hình ổn định cơng suất (PSS) Đánh giá ổn định hệ thống tính vận hành cố Đánh giá hiệu việc áp dụng hệ thống PSS việc nâng cao ổn định hệ thống điện NMLD Dung Quất Thành công đề tài có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao độ tin cậy ổn định hệ thống điện NMLD Dung Quất trước áp dụng vào thực tế Chư ng I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HTĐ NMLD DUNG QUẤT 1.1 Tổng quan hệ thống điện Nhà M Quất (NMLD) Lọc Dầu Dung 1.1.1 Nguồn điện: Nguồn điện cung cấp cho NMLD bao gồm: 04 tổ máy điện tuabin (STG) công suất: 04 x 27 MW 02 xuất tuyến 22KV kết nối lưới điện EVN công suất: 02 x 10MW 01 Máy phát điện khẩn cấp diesel EDG: 01 x 1.6 MW Trong chế độ vận hành bình thường 03 tổ máy phát làm việc, 01 tổ máy dự phòng đủ cung cấp cho nhu cầu điện nhà máy Mạch kép 22 KV cung cấp điện trình khởi động nhà máy nguồn dự phòng tổ máy bị cố 1.1.2 Hệ thống phân phối: Các phụ tải cung cấp điện thông qua 13 trạm biến áp: SS1, SS2, SS4, SS5, SS7, SS8A, SS8B, SS8C, SS9, SS10, SS10A, SS11, SS12 1.1.3 Tải tiêu thụ: 1.1.4 Đ tin cậy vận hành c a hệ thống: Sự cố kết nối với lưới điện EVN dao động công suất lớn nối lưới Vấn đề nghiên cứu khắc phục 1.1.5 Nhu cầu lượng nâng cấp, mở r ng nhà m : 1.2 Giới thiệu Tua- in h i phân xưởng ph t điện NMLD Tua-bin thuộc kiểu ngưng có trích điều chỉnh Hình 1.3 Sơ đồ ngun lý tuabin có trích 1.3 Giới thiệu c c m ph t điện STG c a NMLD Máy phát STG sản xuất SHIN NIPPON MACHINERY CO., LTD với thông sô bản: - Công suất 27MW, - Điện áp 11kV; - Số đôi cực: - Loại rotor: cực lồi - Kích từ khơng chổi than (PMG brushless excitation) 1.4 Giới thiệu ích từ c a M ph t điện STG Hệ thống kích từ máy phát nhà máy Lọc Dầu Dung Quất hệ thống kích từ khơng chổi than với máy phát kich từ nam châm vĩnh cữu (Brushless PMG exciter) Sơ đồ cấu tạo tiêu biểu: Hình 1.6 Sơ độ hệ thống kích từ khơng chổi than 1.5 Giới thiệu hệ thống điều chỉnh tốc đ Woodward 505E Tua-bin Các kênh điều khiển Woodward 505E bao gồm: - Kênh điều khiển tốc độ (Speed control) - Kênh điều khiển phụ trợ (Auxiliary control) - Kênh điều khiển ghép tầng (Cascade control) - Kênh điều khiển trích (Extraction control) - Bộ logic Tỉ lệ/ Giới hạn (Ratio Limiter) 1.6 Giới thiệu vòng điều hiển công suất điện p m ph t Hệ thống điều khiển phân tán DCS Hệ thống giám sát điều khiển điện thực việc lệnh phương thức điều khiển xác định giá trị điều khiển tham chiếu điều chỉnh tốc độ tuabin điều chỉnh kích từ Hình 1.10 Sơ đồ ngun lý vòng điều khiển cơng suất 1.7 C c nghiên cứu liên quan nước KẾT LUẬN CHƯƠNG Chư ng II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Kh i niệm định ngh a 2.2 C c hình thức ất ổn định: 2.3 Phân loại ổn định: Hình 2.1 thể phân loại toàn diện ổn định hệ thống điện, bao gồm hai loại ổn định chính: ổn định góc rotor ổn định điện áp 2.3.1 Ổn định tín hiệu nhỏ (Small-Signal Stability): Hệ thống điện thực tế gặp phải ổn định tín hiệu nhỏ không đủ giảm chấn dao động Các chế độ dao động kích động nhỏ bao gồm: - Chế độ dao động cục (Local plant mode oscillations) - Chế độ dao động nội vùng (Interarea mode oscillation) - Chế độ dao động điều khiển (Control mode oscillations) - Dao động xoắn phần quay (Torsional modes between rotating plant Hình 2.1 Phân loại ổn định (tài liệu tham khảo [1]) 2.3.2 Ổn định qu đ (Transient Stability): Hình 2.7 Phản ứng góc rotor với kích động độ [1] 10 - Khối giới hạn (Limiter) Hình 2.10 Sơ đồ khối thiết bị PSS 2.6.3 Cấu trức c c loại PSS: Bộ ổn định dựa tốc độ (Speed-based stabilizer): Bộ ổn định dựa tần số (Frequency-based stabilizer) Bộ ổn định dựa công suất (Power-based stabilizer) Bộ ổn định dựa tích phân cơng suất gia tốc (Integral of accelerating power-based stabilizer) Các ổn định đầu vào kép Bộ ổn định đa tần (Multi-band stabilizer) 2.6.4 Chỉnh định thông số PSS KẾT LUẬN CHƯƠNG Chư ng III: MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN NMLD DUNG QUẤT 3.1 Xâ dựng mơ hình cụm Tua in h i 3.1.1 C sở lý thu ết xâ dựng mơ hình Tua in h i: 3.1.2 C c số liệu xâ dựng mơ hình: 3.1.3 Xâ dựng mơ hình mơ hình hệ điều hiển tua ine chế đ nối lưới: Dựa phân tích 3.1.2, hình 3.6 thể mơ hình hệ điều khiển tuabine chế độ nối lưới Các khâu bao gồm: 11 - - Các khối điều khiển PID tốc độ; Các khâu qn tính bậc mơ tả động lực van HP (van điều chỉnh HP cấp vào tuabin) công suất trục tuabin Pm với số thời gian tương ứng Ta1, Tm1; Hệ số droop tốc dộ Kp; Hình 3.6 Xây dựng mơ hình tuabin điều khiển 3.2 Mơ hình m ph t SimPowerSystems-Matlab đồng c a thư viện 3.2.1 C sở lý thu ết mơ hình: 3.2.2 Mơ hình m ph t điện đồng : Mơ hình máy phát điện đồng đề tài xây dựng theo mô hình tiêu chuẩn bậc máy phát đồng thư viện SimPowerSistems Matlab 3.3 3.3.1 Mơ hình hệ thống ích từ: C sở mơ hình hệ thống ích từ m 3.3.2 Mơ hình hệ thống ích từ m ph t: ph t Mơ hình hệ thống kích từ thể hình 3.13 12 Hình 3.13 Mơ hình hệ thống kích từ 3.4 Xâ dựng mơ hình vòng điều ph t: hiển cơng suất m C sở lý thu ết xâ dựng vòng điều hiển cơng suất m ph t: 3.3.3 Mơ hình vòng điều hiển cơng suất m ph t Hình 3.14 thể mơ hình điều khiển vòng điều khiển cơng suất điều khiển DEIF chế độ nối lưới Hình 3.14 Sơ đồ hàm truyền điều khiển máy phát DEIF 3.5 Xâ dựng mơ hình vòng điều ph t: hiển cơng suất m Hình 3.15 thể tổng hợp mơ hình điều khiển tuabin máy phát chế độ nối lưới, bao gồm: - Mơ hình tuabine hệ điều tốc - Mơ hình máy phát điện đồng - Mơ hình điều khiển kích từ 13 - Các vòng điều khiển cơng suất, điều khiển tốc độ, điều khiển kích từ Hình 3.15 Tổng hợp mơ hình điều khiển tuabin máy phát 14 3.6 X c định c c thông số p dụng cho PSS Bộ ổn định dựa tốc độ PSS1A - Hằng số thời gian Sensor: 0,015; Hệ số khuếch đại: 20; Hằng số thời gian lọc: 10; Hằng số thời gian bù pha #1: Tnum=0,2; Tden=0,02; Hằng số thời gian bù pha #2: Tnum=0,4; Tden=0,04; Giới hạn đầu ra: Vsmin=-0,15; Vsmax= 0,15 Bộ ổn định đa tầng PSS4B - Hằng số khuếch đại K: 1; - Giải tần thấp [FL KL]: [0.1 10] - Giải tần trung [FI KI]: [1 10] - Giải tần cao [FH KH]: [13 120] - Giới hạn tín hiệu [.075 15 15 15] Hình 3.18 Mơ hình PSS áp dụng vào hệ thống điều khiển 15 3.7 Tổng hợp mơ hình hệ thống điện NMLD ết nối với lưới điện EVN 3.7.1 Phân tích hệ thống: 3.7.2 Tổng hợp mơ hình hệ thống Hình 3.22 Mơ hình HTD BSR kết nối với lưới điện EVN 16 3.8 Thực mơ đ nh gi chất lượng mơ hình 3.8.1 Mô điều hiển công suất t c dụng: 3.8.2 Mô điều hiển công suất phản h ng: KẾT LUẬN CHƯƠNG Chư ng IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BỘ ĐIỀU KHIỂN PSS 4.1 Kết mô p dụng PSS Đề tài mô áp dụng PSS dựa tốc độ đa tần nhằm đánh giả ổn định hệ thống điện BSR cố: - Đóng tải lớn (30MW) phía nguồn cấp (Trường hợp 1) - Ngắn mạch thoáng qua với thời gian cắt 180ms xuất tuyến cấp nguồn cho hệ thống (Trường hợp 2) Các thông số hệ thống trạng thái làm việc bình thường: - máy phát làm việc chế độ điều khiển công suất MW - Công suất máy phát : 12.8 - Công suất tổng tải: 58MW, 20MVAR - Công xuất nhập lưới 12MW Các dao động phân tích đánh giá trường hợp (1) không áp dụng PSS, (2) áp dụng PSS dựa tốc độ, (3) áp dụng PSS đa tần, bao gồm: - Dao động công suất máy phát - Dao động công suất nhập lưới - Dao động góc rotor - Dao động điện áp đầu cực máy phát - Dao động điện áp hệ thống Các tiêu áp dụng để đánh giá chất lượng, bao gồm: - Thời gian ổn định hệ thống sau dao động; - Độ lớn dao động 17 4.1.1 Đóng tải lớn (30MW) phía nguồn cấp nguồn Hình 4.2 Đáp ứng hệ thống áp dụng PSS đa tần 18 Hình 4.3 Đáp ứng hệ thống áp dụng PSS dựa tốc độ 19 4.1.2 Ngắn mạch tho ng qua xuất tu ến cấp nguồn Hình 4.5 Đáp ứng hệ thống áp dụng PSS đa tần 20 Hình 4.6 Đáp ứng hệ thống áp dụng PSS dựa tốc độ 21 4.2 Phân tích dao đ ng hệ thống c c cố Không áp dụng PSS: - Hệ thống ổn định hai trường hợp cố Các dao động loại bỏ thời gian khoảng 5s - Sụt giảm điện áp cố (1) không đáng kể (