Vận hành không đồng bộ và tái đồng bộ máy phát điện đồng bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THÀNH NGHĨA VẬN HÀNH KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ TÁI ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Chuyên ngành : Thiết bị mạng nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010 LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giúp đỡ suốt trình học tập em trường ,đặc biệt thầy cô chuyên ngành Thiết bị mạng nhà máy điện Trong suốt trình đào tạo từ đại học đến cao học thầy cô giúp đỡ em nhiều truyền đạt nhiều kiến thức chuyên môn cho em để em có khả hồn thành luận văn Em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Hoàng Lĩnh tận tình chiếu cố , hướng dẫn sửa chữa sai sót giúp đỡ em suốt q trình thực luận văn từ chọn đề tài kết thúc Cũng xin gởi lời cảm ơn đến tất bạn bè giúp đỡ mặt tài liệu , kiến thức cần thiết khác để hồn thành luận văn cách tốt đẹp Con xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, người tạo điều kiện cho học tập , rèn luyện để hồn thành tốt q trình học đại học cao học ngày TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Máy phát điện đồng phần tử quan trọng hệ thống điện Việc tìm hiểu nguyên lý làm việc máy phát điện đồng quan trọng việc nghiên cứu hệ thống Khi tìm hiểu máy phát điện đồng cơng suất lớn , người ta khó thử nghiệm điều kiện hoạt động có độ xảy cho hệ thống máy phát điện lớn đắt tiền , có hư hỏng xảy khó khắc phục điều kiện nước ta Trong nghiên cứu từ trước đến biện pháp để nghiên cứu từ máy phát công suất nhỏ phịng nghiệm sau người ta thực nghiệm tìm mơ hình đặc tính độ máy phát điện đồng sau mơ phần mềm để tìm hiểu sâu Với công cụ mạnh Matlab Matlab Simulink , người ta mô máy phát hoàn chỉnh bao gồm phương trình tốn , hệ thống kích từ , phận nhà máy điện gắn vào máy phát hệ thống truyền động nhà máy thủy điện , nhiệt điện , quạt gió … Luận văn trình bày phương pháp nghiên cứu , đánh giá ổn định máy phát phương pháp diện tích , sau chứng minh mơ gần giống với thực nghiệm đạt số kết trình bày phần Mơ luận văn Luận văn gồm phần : Phần thứ giới thiệu máy phát điện đồng tượng không đồng xảy Phần thứ nêu nguyên nhân đồng dẫn đến ổn định hệ thống , đưa phương pháp tính tốn có cố Đồng thời đưa phương trình tốn mơ hình máy phát đồng bị ngắn mạch bị độ Phần thứ phần mô Trong phần luận văn xây dựng mơ hình lý tưởng trước sau tính tốn tay thơng số mơ hình đưa số kết Sau luận văn xây dựng mơ hình truyền tải phức tạp mơ , đồng thời có tính tốn gần mơ hình dùng mơ để chứng minh tính tốn không mắc sai lầm Đồng thời với việc , luận văn trình bày q trình đồng , không đồng tái đồng xảy máy phát có ngắn mạch đề số biện pháp hạn chế ảnh hưởng cố lên hệ thống tự động kích từ PSS ( điều chỉnh cơng suất) mơ , chứng minh áp dụng biện pháp tăng tính ổn định ngắn mạch MỤC LỤC Mở đầu Chương : Giới thiệu -2 1.1 Giới thiệu chung máy điện máy phát đồng -2 1.1.1 Nguyên lý làm việc máy điện đồng -2 1.1.2 Phân loại kết cấu máy điện đồng 1.1.2.1 Phân loại -2 a.Máy phát điện đồng b.Động điện đồng c.Máy bù đồng 1.1.2.2 Kết cấu -4 a.Kết cấu máy đồng cực ẩn -4 b.Kết cấu máy đồng cực lồi -5 1.1.3 Các thông số chủ yếu máy phát đồng -6 1.1.3.1 Điện kháng đồng dọc trục ngang trục (Xd,Xq) 1.1.3.2 Điện kháng độ X'd -7 1.1.3.3 Điện kháng siêu độ -7 1.1.3.4 Hằng số quán tính Tj: -7 1.2 Định nghĩa chế độ không đồng -8 1.3 Nguyên nhân dẫn đến chế độ không đồng Chương : Các trình vật lý mơ hình 10 2.1 Q trình vật lý bị kích từ 10 2.2 Quá trình vật lý bị ngắn mạch 13 2.2.1 Khi bị ngắn mạch ba pha đối xứng -15 2.2.2 Khi bị ngắn mạch không đối xứng -19 2.3 Các phương trình mơ tả máy phát đồng có độ -22 2.3.1 Hệ tọa độ dq phép biến đổi dq0 - 22 2.3.2 Các phương trình máy đồng hệ dq0 - 24 2.3.3 Các phương trình mơ hình máy phát bị độ -28 2.3.3.1 Khi bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng điện trở dây quấn kích từ 28 2.3.3.2 Khi bỏ qua giá trị điện trở dây quấn sức điện động biến áp 31 2.3.3.3Khi kể đến điện trở dây quấn kích từ bỏ qua sức điện động biến áp-32 Chương 3: Tính tốn mô 35 3.1 Mơ hình đơn giản 35 3.1.1 Mơ hình -35 3.1.2 Tính tốn ngắn mạch sơ đồ tương đương bị ngắn mạch -36 3.1.3 Khảo sát tính ổn định hệ có cố -39 3.2 Mô hệ thống truyền tải đơn giản 50 3.2.1 Mô hệ thống chưa có thiết bị ổn định cơng suất 50 3.2.1.1 Mô ngắn mạch pha chạm đất -55 3.2.1.2 Ngắn mạch pha không chạm đất -59 3.2.1.3 Ngắn mạch pha chạm đất - 63 3.2.1.4 Sự cố ngắn mạch ba pha 68 3.2.1.5 Các tượng sau ngắn mạch -69 3.2.1.6 Quá trình q độ hịa đồng 73 3.2.2 Mô hệ thống với số biện pháp nâng cao tính ổn định 74 3.2.2.1 Giới thiệu khối PSS 74 3.2.2.2 Hệ thống điều chỉnh điện áp kích từ -75 3.2.2.3 Mơ hệ thống có PSS hệ thống kích từ điều chỉnh điện áp 79 Kết luận - 84 Trang MỞ ĐẦU Ngày xã hội đại , với hàng loạt phương tiện đại phục vụ cho nhu cầu người Các thiết bị thỏa mãn nhiều mặt đời sống người , có tính chất , hình dạng , mục đích sử dụng … khác Song hầu hết chúng có điểm chung sử dụng lượng để hoạt động Có thể có nhiều loại lượng khác dùng, giới , phổ biến rộng rãi điện Trong điện có vấn đề quan trọng tạo điện , máy phát thiết bị dùng để tạo điện Mà cơng nghiệp máy phát có cơng suất lớn đa phần máy phát pha Luận văn trình bày khía cạnh, vấn đề khơng máy phát ba pha đồng tái đồng Như biết , máy phát bị đồng đa phần ngắn mạch đường dây gây chênh lệch lượng máy phát, luận văn đề cập chủ yếu đến vấn đề ngắn mạch gây đồng số biện phát xử lý Trong luận văn , tác giả sử dụng vài mơ hình đơn giản để mô tượng ngắn mạch mô máy phát , qua quan sát số đặc tuyến giá trị tương đối quan trọng máy phát, thơng qua xem xét khả tái đồng bộ, tìm cách xử lý cắt ngắn mạch , sử dụng thiết bị ổn định … Thông qua việc xử lý tượng bất thường máy phát, giúp hệ thống vận hành ổn định hơn, nâng cao khả tăng truyền tải, giảm tổn hao tiết kiệm lượng giai đoạn nguồn tài nguyên tạo lượng dần cạn kiệt ngày Trang CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu chung máy điện máy phát đồng : 1.1.1 Nguyên lý làm việc máy điện đồng : Máy điện đồng thiết bị điện quan trọng sử dụng rộng rãi cơng nghiệp Phạm vi sử dụng làm máy phát điện, nghĩa biến đổi thành điện Điện chủ yếu dùng kinh tế quốc dân đời sống sản xuất từ máy phát điện quay tuabin hơi, tuabin khí tuabin nước Hai loại thường gặp máy phát nhiệt điện máy phát thuỷ điện pha Máy điện đồng dùng làm động đặc biệt thiết bị lớn, khác với động khơng đồng chúng phát công suất phản kháng Thông thường máy đồng tính tốn, thiết kế cho chúng phát cơng suất phản kháng gần công suất tác dụng Trong số trường hợp, việc đặt máy đồng gần trung tâm công nghiệp lớn để phát công suất phản kháng Với mục đích bù hệ số công suất cos cho lưới điện gọi máy bù đồng Ngoài động đồng công suất nhỏ (đặc biệt động kích từ nam châm vĩnh cửu) dùng rộng rãi trang bị tự động điều khiển 1.1.2 Phân loại kết cấu máy điện đồng 1.1.2.1 Phân loại: Theo kết cấu chia máy điện đồng thành loại: Máy đồng cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực 2P = 2), máy điện đồng cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P  4) Trang 74 3.2.1.6 Quá trình độ hịa đồng : Hình 3.25 Nhìn vào đồ thị ta thấy trình khởi động máy phát hịa đồng giống q trình tái đồng nhiên trường hợp không đồng mômen gây , bao gồm mômen tuabin mômen không đồng Mômen không đồng phụ thuộc khác độ trượt s độ trượt đồng s0 Trang 75 Ơ trường hợp mơmen tuabin có tác dụng kéo roto lên gần với tốc độ đồng Và đóng kích từ vào có mơmen đồng Mdb làm cho dao động máy phát giảm dần theo thời gian đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 3.2.2 Mô hệ thống với số biện pháp nâng cao tính ổn định : 3.2.2.1 Giới thiệu khối PSS : Bộ ổn định hệ thống (Power System Stabilizer) dùng để giảm dao động roto máy phát điện đồng cách kiểm soát hệ thống kích thích máy phát đồng Các rối loạn hệ thống điện gây dao động điện cho máy phát điện , Những dao động làm ảnh hưởng đến trì ổn định hệ thống điện Đầu vào khối PSS độ lệch tốc độ ro to dw công suất tăng tốc Pâ=Pm-Peo ( chênh lệch cơng suất cơng suất điện) Các tín hiệu đầu sử dụng đầu vào bổ sung ( Vstab) vào khối kính thích hệ thống PSS mơ hình hóa hệ thống phi tuyến sau : Hình 3.26 Trang 76 Để đảm bảo việc giảm dao động thực tốt , PSS cung cấp điều chỉnh trế pha tần số hoạt động để bù cho tượng trế tự có vùng kích thích mômen điện gây việc hoạt động PSS Mơ hình bao gồm khối : lọc thông thấp , khuếch đại chung , lọc thông cao , hệ thống bù pha , giới hạn đầu Độ khuếch đại chung K định lượng giảm ổn định Bộ lọc thông cao bảo đảm loại bỏ tần số thấp tín hiệu dw cho phép PSS đáp ứng với thay đổi tốc độ roto Hệ thống bù pha bao gồm khối lead-lag lập thành hàm để bù cho trế pha điện áp kích thích mơmen điện 3.2.2.2 Hệ thống điều chỉnh điện áp kích từ : Hệ thống điều khiển kích từ cung cấp điện áp kích từ thích hợp để trì điện áp hệ thống theo mong muốn, thường góp điện áp cao nhà máy điện Một đặc trưng quan trọng hệ thống điều khiển kích từ khả đáp ứng cách nhanh chóng độ lệch điện áp hai trình điều khiển hệ thống bình thường hệ thống tình trạng cố trầm trọng Nhiều kiểu hệ thống điều khiển kích từ khác sử dụng hệ thống công suất Những thành phần hệ thống điều khiển kích từ điều chỉnh, khuếch đại kích từ Bộ điều chỉnh đo điện áp điều chỉnh thực xác định độ lệch điện áp Tín hiệu độ lệch sinh điều chỉnh sau khuếch đại cung cấp tín hiệu yêu cầu thay đổi dịng điện kích từ Điều làm tạo thay đổi điện áp đầu kích từ Sự thay đổi ứng với kết mức kích từ nguồn phát điện Một hình thức thuận tiện đặc trưng hệ thống điều khiển dãy sơ đồ khối liên hệ qua chức chuyển đổi biến số đầu vào số đầu thành phần yếu hệ thống Dãy sơ đồ khối dùng để đặc trưng đơn giản hóa hoạt động liên tục hệ thống điển khiển kích từ trình bày hình 8.7 Đây Trang 77 điều kiện quan trọng hệ thống điều khiển kích từ Sự đặc trưng bao gồm chức chuyển đổi để mô tả điều chỉnh, khuếch đại, kích từ vùng ổn định Vùng ổn định phải điều chỉnh tương ứng để loại trừ dao động không mong muốn vượt điện áp điều chỉnh Những phương trình vi phân liên quan đến biến số đầu vào, đầu điều chỉnh, khuếch đại, kích từ vùng ổn định cách là: Với Es điện áp ghi lại q trình tính đơn vị tương đối : điện áp lấy khuếch đại dvtd trước nhiễu loạn Trang 78 Hình 3.27 Sơ đồ khố hệ thống điều khiển kích từ Tr: Là số thời gian điều chỉnh KA: Là hệ số khuyếch đại khuếch đại TA: Là số thời gian khuyếch đại KE: Là hệ số khuyếch đại kích từ TE: Là số thời gian kích từ KF: Là hệ số khuếch đại vòng ổn định TF: Là số thời gian vòng ổn định Và biến số trung gian định rõ Eii, Eiii, Eiv, Ev vàEvi Biến số trung gian Eii = Eiii - Evi Trang 79 Mà Evi tương đương với ảnh hưởng khử từ bảo hịa kích từ Với A, B số dựa vào đặc tính bảo hịa kích từ Anh hưởng điều chỉnh tốc độ thời gian trình độ đưa vào tính tốn cách sử dụng đặc điểm đơn giản hóa hệ thống điều khiển van điều chỉnh biểu diễn hình : Hình 3.28 Đặc trưng bao gồm hàm truyền mô tả hệ thống xử lý với số thời gian không đổi Ts hàm truyền mô tả hệ thống điều khiển với số thời gian không đổi Te Các phương trình vi phân liên quan đến biến số đầu vào đầu hàm truyền cách là: Trong Pm công suất biến số trung gian xác định bới Pmi Pmii Pmiii va Pmiv Các biến số Pmii Pmiii liên quan sau : Với Pmax dung lượng cực đại tuabin , biến số trung gian Pmiii là: Pmiii  Pm (0)  Pmiv Trang 80 Trong Pm(0) cơng suất ban đầu , biến số trung gian Pmiv là: Ở R điều chỉnh tốc độ đơn vị tương đối DBT dịch chuyển vùng chết, thay đổi tốc độ cần thiết để vượt qua vùng chết hệ thống van điều chỉnh Một đặc tính tiêu biểu van điều chỉnh trình bày hình 3.29 : Hình 3.29 3.2.2.3 Mơ hệ thống có PSS hệ thống kích từ điều chỉnh điện áp Bây ta mơ hệ thống có sử dụng PSS điều chỉnh điện áp kích từ sau : Trang 81 Hình 3.30 Đối với hệ thống có gắn tự động điều chỉnh điện áp , kích từ ổn định hệ thống giá trị đáp ứng tốt dao động , ta xem xét ngắn mạch có PSS , trường hợp ngắn mạch chưa có PSS điều chỉnh ta xét trường hợp Theo thứ tự ta cho ngắn mạch pha , pha , pha pha chạm đất oại ngắn mạch loại ngắn mạch với thời gian tồn lớn Ngắn mạch pha chạm đất : Trang 82 Hình 3.31 Ngắn mạch pha chạm : Hình 3.32 Trang 83 Ngắn mạch pha : Hình 3.33 Ngắn mạch pha chạm đất : Trang 84 Hình 3.34 Như ta nhận thấy PSS kết hợp với hệ thống kích từ điều chỉnh điện áp , gắn vào với máy phát có gắn tuabin thủy lực tự điều chỉnh phần cố để đảm bảo hệ thống vận hành bình thường Tuy nhiên có vài trường hợp PSS tự điều chỉnh để tránh máy phát bị hư hỏng ( ví dụ trường hợp ngắn mạch pha chạm đất ) Do cho dù có sử dụng PSS , hệ thống điều chỉnh điện áp , hệ thống tự động kích từ … phải phối hợp với sử dụng loại rơ le để bảo vệ máy phát phần tử khác hệ thống Trang 85 KẾT LUẬN Thông qua việc mô xem xét tượng ngắn mạch trình bày luận văn Chúng ta thấy việc mơ ta tính tốn thời gian cắt hợp lý cài đặt cho máy cắt hệ thống đồng thời tìm hiểu rõ trình giá trị mơ thay đổi qua thấy trình vật lý xảy thiết bị roto stato , mạch kích…… máy phát đồng pha để có biện pháp thiết kế , điều chỉnh phòng chống việc hư hại xảy cho máy phát cho hệ thống Bằng việc mô số hệ thống luận văn chứng minh đắn nghiên cứu lý thuyết diện tích để tính toán ổn định máy phát hệ thống đồng thời chứng minh có áp dụng số biện pháp ổn định hệ thống có khả chồng chọi định với cố nguy hiểm vận hành cách tự động trước sau xảy cố áp dụng biện pháp ổn định Thơng qua việc tìm hiểu hướng nghiên cứu luận văn có hướng bao gồm : thơng qua việc tìm hiểu máy phát có cố để tìm cách chế tạo , xây dựng , sử dụng máy phát nhà máy phát điện phản ứng nhanh có cố tự động ổn định trở lại cách tự động không cần can thiệp người , cố gắng tương lai xa xây dựng tìm hiểu phương pháp đánh giá ổn định máy phát xác , hướng thứ tìm hiểu sâu ổn định hệ thống qua xây dựng số cách thức tác động tới hệ thống nâng cao tính ổn định hệ thống phương pháp đại áp dụng vào thực tế nước nhà TÀI LIỆU THAM KHẢO (1) Phan Thị Thanh Bình , 2009 , Bài giảng Ổn định hệ thống điện (2) Nguyễn Hoàng Việt , Phan Thị Thanh Bình , 2005, Ngắn mạch ổn định hệ thống điện , Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh (3) Nguyễn Hữu Phúc , 2003 , Kỹ thuật điện 2: Máy điện quay , Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh (4) Đặng Ngọc Dinh , 1977 , Ổn định hệ thống điện , Trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (5) Trịnh Hùng Thám , 2007 , Vận hành nhà máy điện , Nhà xuất Khoa học kỹ thuật , Hà Nội (6) Nguyễn Phùng Quang, 2004 , Matlab Simulink dành cho kỹ sư tự động , Nhà xuất Khoa học kỹ thuật , Hà Nội (7) D.Jovcic, G.N.Pillai , tháng năm 2005 , “Analytical Modelling of TCSC Dynamics" IEEE® Transactions on Power Delivery, vol 20, Issue 2, pp 1097-1104 (8) S Hariharan, Prof MSc.(Eng.), and A Kuppurajulu, M.E., Ph.D., Mem.I.E.E.E., tháng 11 năm 1976, Asynchronous operation and resynchronisation of synchronous machines , PROC IEE, Vol 123, No 11 (9) Kundur, P., 1994, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, Section 12.5 (10) Krause, P.C., 1986, Analysis of Electric Machinery, McGraw-Hill, Section 12.5 (11) Kamwa, I., et al., 1995., "Experience with Computer-Aided Graphical Analysis of Sudden-Short-Circuit Oscillograms of Large Synchronous Machines," IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 10, No (12) IEEE , August, 1992 , "Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies,"IEEE Standard, pp 421.5-1992, (13) IEEE Working Group on Prime Mover and Energy Supply Models for System Dynamic Performance Studies, February, 1992, "Hydraulic Turbine and Turbine Control Models for Dynamic Studies," IEEE Transactions on Power Systems, Vol.7, No.1, , pp 167-179 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 1.LÝ LỊCH -Họ Tên : Trần Thành Nghĩa -Ngày sinh : 07/07/1984 -Nơi sinh : PHÚ YÊN -Địa liên lạc: 07/2 TRẦN HƯNG ĐẠO F1 TP TUY HỊA PHÚ N 2.Q TRÌNH ĐÀO TẠO : Đào tạo ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 3.Q TRÌNH CÔNG TÁC ... 1.1 Theo chức chia máy điện đồng thành loại chủ yếu sau: a Máy phát điện đồng - Máy phát điện đồng thường kéo tuabin tuabin nước gọi máy phát tuabin hay máy phát tuabin nước Máy phát tuabin có tốc... mômen không đồng máy phát điện Khi xác lập cân mômen không đồng mômen ( Mkdb=Mco), máy phát điện làm việc với vận tốc khơng đổi lớn vận tốc đồng Như khả vận hành chế độ không đồng phụ thuộc vào... máy điện máy phát đồng : 1.1.1 Nguyên lý làm việc máy điện đồng : Máy điện đồng thiết bị điện quan trọng sử dụng rộng rãi công nghiệp Phạm vi sử dụng làm máy phát điện, nghĩa biến đổi thành điện