Nghiên cứu điều khiển hệ thống kích từ của máy phát điện đồng bộ

Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ VĂN VƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KÍCH TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: CB101058 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN HÀ NỘI - 2012 1    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình tìm hiểu nghiên cứu riêng dựa hướng dẫn Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn thầy cô môn nguồn tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực Học viên Vũ Văn Vương 2    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA 01 LỜI CAM ĐOAN 02 MỤC LỤC 03 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 05 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 06 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 07 LỜI NÓI ĐẦU 09 Chương TÌM HIỂU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 11 1.1 Khái niệm vai trò máy phát điện đồng 11 1.2 Phân loại cấu tạo máy phát điện đồng 12 1.2.1 Phân loại ứng dụng 12 1.2.2 Cấu tạo 13 1.3 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng 15 1.4 Các đặc tính điều chỉnh máy điện đồng 17 1.4.1 Phương trình điện áp máy phát điện đồng 17 1.4.2 Phản ứng phần ứng máy điện đồng 18 1.4.2.1 Tải đối xứng trở 19 1.4.2.2 Tải đối xứng cảm 21 1.4.2.3 Tải đối xứng dung 21 1.4.2.4 Tải đối xứng hỗn hợp 22 1.4.3 Đặc tính khơng tải máy phát điện đồng 23 1.4.4 Đặc tính máy phát điện đồng 24 1.4.5 Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng 25 1.4.6 Đặc tính tải máy phát điện đồng 26 1.4.7 Đặc tính ngắn mạch máy phát điện đồng 28 1.5 Chế độ làm việc song song vấn đề điều chỉnh công suất máy phát điện đồng 29 1.5.1 Ghép máy phát điện đồng làm việc song song 29 1.5.2 Điều chỉnh công suất tác dụng công suất phản kháng 31 1.5.2.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P 31 1.5.2.2 Điêu chỉnh công suất phản kháng Q 34 1.6 Hệ thống kích từ máy phát 37 1.6.1 Khái niệm chung 37 3    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   1.6.2 Phân loại hệ thống kích từ 39 1.6.2.1 Hệ thống kích từ chiều 39 1.6.2.2 Hệ thống kích từ xoay chiều 41 1.6.2.3 Hệ thống kích từ tĩnh 42 Chương HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỂN HÌNH VÀ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP AVR 44 2.1 Các khối chức hệ thống kích từ 44 2.1.1 Bộ kích 44 2.1.1.1 Cách tạo nên dòng điện xoay chiều 44 2.1.1.2 Mạch chỉnh lưu cấp nguồn cho rotor 47 2.1.2 Bộ điều chỉnh điện áp AVR 61 2.1.3 Bộ cảm biến điện áp 61 2.1.4 Bộ hạn chế bảo vệ 61 2.1.4.1 Giới hạn kích từ 61 2.1.4.2 Bộ giới hạn kích thích 62 2.1.4.3 Giới hạn dòng phần ứng 63 2.1.4.4 Giới hạn bảo vệ V/Hz 64 2.1.4.5 Mạch diệt từ 64 2.1.4.6 Bảo vệ chạm đất rotor 65 2.1.4.7 Bảo vệ áp cho rotor 66 2.2 Bộ điều chỉnh điện áp AVR 68 2.2.1 Bộ AVR 70 2.2.2 Bộ điều chế tạo xung 71 2.2.3 Bộ khuếch đại xung máy biến áp xung 75 Chương ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 76 3.1 Quá trình mồi từ ban đầu 76 3.2 Quá trình tạo điện áp đặt tự động 79 3.3 Chức bảo vệ hệ thống kích từ 80 3.4 Tổng hợp hệ thống kích từ 87 Chương ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS 91 4.1 Dao động máy điện đồng 91 4.2 Chức ổn định hệ thống điện - PSS 91 4.3 Mơ hình ổn định hệ thống điện 92 4.4 Mô hệ thống 96 KẾT LUẬN 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 4    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ф Từ thông cực từ rotor (Wb) f Tần số (Hz) n Tốc độ quay rotor (vịng/phút) p Số đơi cực rotor ω Tốc độ góc máy phát (rad/s) E0 Sức điện động pha (V) Eưq Sức điện động ngang trục (V) Eưd Sức điện động dọc trục (V) U Điện áp đầu cực máy phát (V) I, It Dịng điện stator, dịng điện kích từ (A) Iq Dòng điện stator ngang trục (A) Id Dòng điện stator dọc trục (A) Xưq, Xq Điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục, đồng ngang trục Xưd, Xd Điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục, đồng dọc trục Et, Xt Sức điện động tản, điện kháng tản φ Góc lệch pha điện áp dịng điện stator θ, Ψ Góc lệch pha E0 U, E0 I Ft, Fư Từ trường cực từ, từ trường phần ứng P, Q Công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát B Cảm ứng từ dịng điện kích từ 5    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT PSS Bộ ổn định hệ thống điện – Power System Stabilizer AVR Bộ tự động điều chỉnh điện áp – Automatic Voltage Regulator s.đ.đ Sức điện động ĐC Bộ điều chế xung TX Bộ tạo xung KĐ Bộ khuếch đại xung BAX Biến áp xung G-Th Cực gate thyristor RC Bộ điều chế xung SS Bộ so sánh xung 6    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Máy phát điện đồng 12 Hình 1.2 Cấu tạo máy phát điện đồng 13 Hình 1.3 Cấu tạo rotor máy phát điện đồng 14 Hình 1.4 Đồ thị vector điện áp máy phát điện 19 Hình 1.5 Đồ thị véc tơ s.đ.đ quan hệ không gian từ trường cực từ từ trường phần ứng tải trở 20 Hình 1.6 Đồ thị véc tơ s.đ.đ quan hệ không gian từ trường cực từ từ trường phần ứng tải cảm 21 Hình 1.7 Đồ thị véc tơ s.đ.đ quan hệ không gian từ trường cực từ từ trường phần ứng tải dung 22 Hình 1.8 Đồ thị véc tơ s.đ.đ quan hệ không gian từ trường cực từ từ trường phần ứng tải hỗn hợp 23 Hình 1.9 Đặc tính khơng tải máy phát điện đồng 24 Hình 1.10 Đặc tính ngồi máy điện đồng 24 Hình 1.11 Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng 26 Hình 1.12 Đặc tính tải máy phát điện đồng 27 Hình 1.13 Đặc tính ngắn mạch máy phát điện đồng 28 Hình 1.14 Đặc tính góc cơng suất tác dụng máy phát cực lồi 32 Hình 1.15 Công suất tác dụng công suất chỉnh máy phát cực lồi 33 Hình 1.16 Điều chỉnh cơng suất phản kháng máy phát điện đồng 35 Hình 1.17 Họ đặc tính hình V máy phát điện đồng 36 Hình 2.1 Sơ đồ khối chức hệ thống kích từ 44 Hình 2.2 Dịng điện tạo cảm ứng từ 45 Hình 2.3 Cấu trúc bán dẫn thyristor 47 Hình 2.4 Đặc tính vơn-ampe thyristor 48 7    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   Hình 2.5 u cầu xung điều khiển thyristor 51 Hình 2.6 Chỉnh lưu hình tia ba pha 54 Hình 2.7 Dạng điện áp dịng điều khiển van 55 Hình 2.8 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 56 Hình 2.9 Dạng điện áp dòng điện điều khiển van 57 Hình 2.10 Giới hạn dịng điện phần ứng 63 Hình 2.11 Bảo vệ chạm đất rotor 66 Hình 2.12 Bảo vệ áp rotor 67 Hình 2.13 Bộ crow bar 67 Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tạo góc mở van 69 Hình 2.15 Bộ điều chế 71 Hình 2.16 Tín hiệu điều khiển theo điện áp tựa tuyến tính 72 Hình 2.17 Tín hiệu điều khiển theo điện áp tựa cosin 73 Hình 3.1 Hệ thống kích từ tự kích 76 Hình 3.2 Sơ đồ khối trình mồi từ 77 Hình 3.3 Tạo giá trị đặt chế độ bình thường 79 Hình 3.4 Tạo giá trị đặt chế độ nạp đường dây 80 Hình 3.4 Bảo vệ q kích từ 82 Hình 3.5 Bảo vệ q dịng stator 84 Hình 3.6 Bảo vệ thiếu kích từ 87 Hình 3.7 Sơ đồ mơ Matlab 88 Hình 3.8 Điện áp giá trị đặt 88 Hình 3.9 Điện áp đầu máy phát 89 Hình 3.10 Dịng điện kích từ cơng suất máy phát 89 Hình 4.1 Sơ đồ khối ổn định công suất hệ thống 93 Hình 4.2 Bộ ổn định cơng suất PSS 94 Hình 4.3 Công suất đầu máy phát 96 Hình 4.4 Sơ đồ tổng hợp hệ thống kích từ 97 8    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   LỜI NĨI ĐẦU Định hướng để đất nước phát triển lên vấn đề quan trọng thời kỳ nước ta Phát triển đất nước gắn liền với đầu tư phát triển ngành công nghiệp, ngành công nghiệp ngành công nghiệp lượng đặc biệt điện Tập đoàn điện lực nước ta biết nhiệm vụ quan trọng nên khơng ngừng tìm kiếm phương thức để phát triển ngành cơng nhiệp Với tình hình tập đồn ln ln tìm kiếm thăm dị nguồn lượng tái tạo tập đồn tập trung khai thác nguồn lượng thủy nước ta Qua q trình nghiên cứu khảo sát tập đồn lựa chọn Sơn La để xây dựng thủy điện lớn Đông Nam Á với nguồn thủy lấy sông Đà Trong nhà máy sản xuất điện máy phát phần tử thiếu phận đóng vai trị quan trọng hệ thống kích từ Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật thiết bị điện hệ thống kích từ không ngừng cải tiến công nghệ phát triển Qua q trình làm việc tìm hiểu nắm bắt cơng nghệ với hệ thống kích từ tơi thấy cần nắm bắt công nghệ để vận hành sửa chữa ứng dụng để cải tạo hệ thống kích từ cơng nghệ cũ nhà máy khác tạo điều kiện tương lai làm tiền đề để nhà máy phát điện ứng dụng công nghệ ổn định hệ thống điện PSS hệ hệ thống kích từ vào hệ thống điện Đồng thời tài liệu thực tiễn cho sinh viên, học viên tham khảo Sau tìm hiểu nghiên cứu tơi lựa chọn đề tài: “ nghiên cứu điều khiển hệ thống kích từ máy phát điện đồng bộ” Nội dung luận văn bao gồm phần sau: 9    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   Chương 1: Tổng quan máy phát điện đồng hệ thống kích từ máy phát điện đồng Chương 2: Hệ thống kích từ điển hình điều chỉnh điện áp AVR Chương 3: Điều khiển hệ thống Chương 4: Ổn định hệ thống điện PSS Được hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn thầy cô giáo môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Cơng Nghiệp tơi hồn thành đồ án Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn thầy cô môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Cơng Nghiệp trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tuy nhiên, trình độ thân cịn hạn chế thời gian có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót Tơi kính mong hướng dẫn góp ý thầy để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! 10    Vũ Văn Vương  Điều khiển hệ thống kích từ MĐĐB   Khi máy phát nối với lưới điện hệ thống kích từ điều chỉnh cơng suất phản kháng việc phát thu công suất phản kháng Chính để giới hạn dịng điện stator máy biến áp hệ thống kích từ phải giới hạn công suất phản kháng lúc phát lên lưới cơng suất phản kháng q trình thu Để giới hạn công suất phản kháng máy phát nằm giới hạn cho phép hệ thống kích từ phải điều chỉnh dịng kích từ cách tăng dịng kích từ lên mà máy phát hấp thụ nhiều công suất phản kháng lượng cho phép giảm dịng kích từ xuống trường hợp máy phát phát lên lưới lượng công suất phản kháng quy định Khi cơng sts phản kháng có giá trị gần giá trị không ( QEMIN1