Nghiên cứu chế tạo hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu

Nghiên cứu chế tạo hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu

BỘ CÔNG THƯƠNG

TỔNG CÔNG TY ĐIỆN TỬ VÀ TIN HỌC VIỆT MAM

CÔNG TY CỔ PHẦN VIETTRONICS ĐỐNG ĐA

BÁO CÁO

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG KÍCH THÍCH CHO MÁY PHÁT ĐIỆN, ỨNG DỤNG TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ THỦY ĐIỆN TRUNG BÌNH VÀ NHỎ, THAY THẾ HÀNG NHẬP KHẨU

Mã số:195-07RD/2007

Cơ quan chủ trì : Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa

Số 56 - Nguyễn Chí Thanh – q Đống Đa – tp Hà Nội

Chủ nhiệm đề tài : Lưu Hoàng Long - Kỹ sư Điện - Giám đốc Cty

6803

12/4/2008

HÀNỘI 12.2007

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

PSS (Power System Stabilizer) : Bộ ổn định hệ thống nguồn AVR (Auto voltage regulator) : Bộ điều ổn áp tự động FCR (Field control regulator) : Bộ điều chỉnh kích từ THYRISTOR BRIDGE : CẦU THYRISTOR DIODE BRIDGE : CẦU ĐIỐT

IGBT BRIDGE : CẦU IGBT

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH 9 I.1 Phân loại kích thích 10 I.2 Xem xét điều khiển kích thích máy phát 14 I.3 Xem xét về mặt điều khiển 16 I.4 Chức năng bảo vệ hệ thống 17

CHƯƠNG II KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU 19 II.1 Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB: 19 II.2 Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000 19 II.3 Cấu hình hệ thống UNITROL 5000 20

II.3.2 Khối mồi từ (Field Flashing) và diệt từ (Crowbar) 21

II.3.3.5 Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) 23 II.3.3.6 Chức năng truyền thông với hệ thống 24

CHƯƠNG III THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 26 Quy trình công nghệ chế tạo hệ thống điều khiển kích thích tĩnh 26

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN

TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT SỐ 27 IV.1 Thiết kế mô hình hệ thống 27

IV.1.5 Nguyên lý điện của hệ thống điều khiển kích thích tĩnh 33

IV.2 Nghiên cứu xây dựng phần mềm hệ thống kích thích 34 IV.3 Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống kích thích 52

IV.3.2 Chế tạo card (board) đo lường

IV.3.2.4 Mô tả phần màn hình hiển thị LK204-25 của hãng MATRIX ORBITAL

85

IV.3.2.5 Thiết kế tổng thể phần cứng hộp bộ điều khiển

85

IV.3.2.6 Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều

IV.3.4 Chế tạo panel hiển thị tại chỗ và từ xa

IV.3.4.3 Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều

khiển tại chỗ và từ xa loại V1000SE LCP và RCP 91

IV.3.5 Chế tạo/ tích hợp bộ điều khiển công suất

93

IV.3.6 Chế tạo/ tích hợp bộ mồi từ

và kết quả đạt được) và thảo luận 101

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chung

Làm chủ công nghệ, tính tự động hóa, chất lượng điều khiển, tính ổn định, hiệu quả kinh tế là các tiêu chí hàng đầu đặt ra cho việc nghiên cứu chế tạo “Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện có công suất trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”

Việc làm chủ công nghệ và chủ động cung cấp các hệ thống điều khiển đồng bộ bằng nội lực hiện nay là một yêu cầu cấp bách, nhằm nâng cao tỷ trọng nội địa hoá các sản phẩm sản xuất trong nước Do chưa làm chủ được công nghệ thiết kế chế tạo nên phần lớn các hệ thống thiết bị đồng bộ chúng ta vẫn phụ thuộc vào các tập đoàn Quốc tế Tỷ trọng phần giải pháp công nghệ, thiết kế thông thường chiếm từ 30% đến 60%, thậm chí trong một vài dự án cụ thể nó chiếm tới 80% tổng giá thành của hệ thống thiết bị đồng bộ Như vậy cho dù các điều kiện công nghệ sản xuất trong nước chưa cho phép ta sản xuất hết được các thiết bị điều khiển đòi hỏi công nghệ cao, chúng ta vẫn đạt được tỷ lệ sản xuất trong nước cao trong các hệ thống thiết bị đồng bộ bằng giá trị công nghệ, thiết kế trong hệ thống Bài viết này đề cập về vấn đề nghiên cứu làm chủ công nghệ thiết kế, tích hợp, chế tạo hệ thống điều khiển đồng bộ về việc điều khiển kích từ (kích thích) máy phát cho các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện công suất trung bình và nhỏ.

2 Cơ sở pháp lý/xuất xứ của đề tài

Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa là đơn vị thực hiện đề tài khoa học năm 2007

Theo hợp đồng số 195-07RD /HĐ-KHCN, ký ngày 01 thánđg 03 năm 2007 về việc “NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ”

với nội dung

“Nghiên cứu chế tạo Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”

Giữa bên giao là Bộ Công nghiệp và bên nhận là Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa

3 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

9 Thay thế hàng ngoại nhập với chất lượng tương đương

9 Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ 9 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo tiên tiến, đảm bảo tính khả thi

4 Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu

9 Nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển kích thích máy phát điện

9 Thiết kế chế tạo một hệ thống điều khiển công nghiệp trên cơ sở kết hợp thiết kế chế tạo ra các khối đo lường kỹ thuật số, khối mạch công suất, bảo vệ … từ những linh kiện rời (Chíp DSP xử lý tín hiệu số - DS1609; DSP TMS320VC5510; DSP56303PV100, Dualport RAM - IDT 71342SA, EEPROM nhớ chương trình - M29F040B-70K6 & AM29F040-120JC, RAM cho dữ liệu - K6R1008V1C-JC12, Thạch anh 32MHz - SG-615PH C 32.0000M…) và ứng dụng các bộ điều khiển tiên tiến chuyên dùng cho công nghệp thuộc dòng PC104

9 Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế hệ thống

9 Thử nghiệm thực tế hệ thống cho ngành điện nói chung, nhà máy điện công suất 5MW nói riêng

5.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và Cơ sở lý thuyết

5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hệ thống kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ đã được nghiên cứu, chế tạo từ rất lâu tại các nước phát triển Một số hang chế tạo hệ thống điều khiển kích thích nổi tiếng trên thế giới như: ABB, AREVA, BASLER, VATech…

Cho đến nay các giải pháp về điều khiển kích thích cho nhà máy điện đã gần như hoàn thiện, không những hoàn thiện về tính năng và chất lượng điều khiển mà còn đáp ứng các tính năng liên quan khác như quản lý giám sát từ xa, thu thập và lưu giữ dữ liệu, kiểm soát ghi lại các trạng thái sự cố, giao diện thân thiện hơn…

5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Các hệ thống kích thích cho các nhà máy điện hiện nay chủ yếu vẫn là nhập khẩu với giá thành cao, thời gian nhập khẩu kéo dài nhiều tháng, việc cài đặt hiệu chỉnh cũng phải thuê chuyên gia, giá công cao tính theo giờ

Trong khi đó nhu cầu về việc xây dựng các nhà máy phát điện ngày càng nhiều, theo quy hoạch phát triển ngành điện đến năm 2010 nước ta cần phải xây dựng 50 nhà máy điện các loại

Hiện nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, cũng như việc hội nhập của Việt Nam Để chủ động về công nghệ cũng như kết hợp đội ngũ kỹ sư sẵn có chúng ta hoàn toàn có thể nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phục vụ cho các nhà máy điện thay thế các thiết bị nhập ngoại, đảm bảo đáp ứng thời gian cung cấp, bảo hành thiết bị kịp thời

Làm chủ công nghệ để chủ động trong thiết kế, chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ nói chung và hệ thống điều khiển đồng bộ nhà máy thuỷ điện nói riêng là một đòi hỏi cấp bách hiện nay, nó vừa là cơ hội và cũng là thử thách đối với các đơn vị chế tạo trong nước Việc chế tạo được tất cả các thiết bị công nghệ cao để nâng cao tỷ lệ sản xuất trong nước và chủ động trong việc thiết kế chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ là mong muốn của toàn Đảng, toàn dân ta trong giai đoạn hiện nay Trình độ công nghệ chế tạo trong nước chưa cho phép chúng ta sản xuất hết được các thiết bị đòi hỏi công nghệ, nghiên cứu cơ bản rất cao như các thiết bị PLC, PC thiết bị đo lường đặc biệt để đạt tiêu chuẩn quốc tế với giá thành cạnh tranh thì giải pháp thiết kế tích hợp và lập trình điều khiển để chủ động cung cấp các hệ thống thiết bị đồng bộ là giải pháp tốt nhất hiện nay Nếu làm được như vậy thì tỷ lệ nội địa hoá các hệ thống thiết bị đồng bộ đã đạt trên 50%, mặc dù chúng ta chưa chế tạo được các thiết bị công nghệ cao

5.3 Phương pháp tiến hành nghiên cứu

9 Khảo sát mẫu nhập ngoại

9 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phù hợp với điều kiện các nhà máy điện trong nước

9 Thử nghiệm hệ thống tại nhà máy điện 5MW và kiểm định các thông số kỹ thuật

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngoài việc phải có động cơ sơ cấp kéo, còn phải có dòng điện kích thích Dòng điện kích thích là một dòng điện một chiều, được đưa vào Rôto của máy phát để kích thích từ trường của Rôto máy phát

Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều này gọi chung là hệ thống kích thích máy phát Dòng điện kích thích máy phát, ngoài việc tạo từ trường cho Rôto, còn có thể dùng để điều chỉnh điện áp máy phát theo giá trị danh định hoặc theo giá trị đặt để hòa lưới Ngoài ra, dòng điện này còn điều chỉnh công suất vô công của máy phát khi máy phát đã hòa vào lưới

Để có thể thay đổi trị số của dòng điện kích thích nhằm đáp ứng được các yêu cầu trên, cần phải có một bộ phận điều khiển Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều áp

Hệ thống kích thích, với chức năng cung cấp dòng kích thích cho máy điện đồng bộ bao gồm tất cả, công suất, sự điều chỉnh và bảo vệ để điều chỉnh ổn định điện áp đầu cực máy phát, ra đời và phát triển cùng với máy điện đồng bộ với các tính năng ngày càng hiện đại và đáp ứng yêu cầu cao về ổn định điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn [IEEE std 421.4 - 2004]

Hình I.1: Sơ đồ khối hệ thống kích từ và điều khiển kích từ

Hệ thống điều khiển kich từ là một bộ điều khiển hồi tiếp bao gồm máy phát điện và hệ thống điều khiển kích thích của nó Thông qua điện áp cảm nhận được từ đầu cực máy phát, hệ thống điều khiển kích thích sẽ cấp dòng kích thích phù hợp đến cuộn dây kích thích máy phát để ổn định điện áp đầu cực máy phát theo giá trị mong muốn

Khi máy phát điện hoạt động song song với các máy phát điện khác hoặc nối lưới, điện áp đầu cực máy phát là do lưới quy định, trong trường hợp này chức năng chính của hệ thống điều khiển kích thích là cung cấp dòng kích thích cho máy phát điện đồng bộ để giữ công suất cảm kháng trên lưới, từ đó ổn định điện áp đầu cực máy phát

I.1 Phân loại kích thích

Căn cứ vào cách tạo ra dòng kích thích cung cấp cho dây quấn kích thích, nguời ta chia hệ thống kich từ thành hai nhóm chính: Hệ thống kích thích quay xây dựng trên các bộ kích thích quay một chiều DC (DC Exciter), bộ kích thích quay xoay chiều AC (AC Exciter) và hệ thống kích thích tĩnh xây dựng trên các bộ kích thích tĩnh (Static Exciter) Bộ kích thích AC và DC được xây dựng trên cơ sở sử dụng các máy phát điện một chiều (DC Exciter) hoặc xoay chiều có chỉnh lưu (AC Exciter) gắn đồng trục của Rotor, quay đồng bộ với Rotor để cấp dòng cho dây quấn kích thích

Bộ kích thích tĩnh (Static Exciter) đặt độc lập với máy phát, cấp dòng kích thích cho dây quấn kích thích qua cơ cấu chổi quét vòng góp điện Dòng kích thích của bộ kích thích tĩnh được lấy từ đầu cực máy phát thông qua khối cầu chỉnh luư Thyristor có điều khiển

a) Hệ thống kích thích một chiều (DC)

Ngày nay, bộ kích thích DC vẫn còn được sử dụng ở nhiều máy phát đồng bộ (Synchronous Generator-SG) có công suất thấp hơn 100MVA Nó được cấu tạo gồm hai máy phát điện một chiều kiểu vành góp điện DC (DC commutator electric generator) đóng vai trò là: Bộ kích thích chính (Main Exciter- ME) và bộ kích thích bổ trợ (Auxiliary Exciter- AE) gắn đồng trục và quay đồng bộ với Rotor máy phát.

Hinh I.2: Hệ thống kích thích một chiều

Khi Rotor quay, máy phát điện AE sẽ tạo ra dòng điện cấp cho máy phát điện ME Tới lượt mình, ME sẽ tạo ra dòng một chiều cấp cho dây quấn kích thích máy phát để tạo ra sức điện động cảm ứng trên đầu cực máy phát Bộ kích thích DC được điều khiển bởi AVR thông qua điện áp điều khiển Vcon

Hệ AE và ME đóng vai trò như một bộ khuyếch đại công suất với hệ số khuyếch đại lên tới 600/1 (20.30), do vậy ta chỉ cần công suất thấp để cấp cho bộ kích thích Tuy nhiên lợi thế này bị trả giá bởi:

- Đáp ứng thời gian chậm, mà nguyên nhân là hằng số thời gian ở cuộn dây kích thích ở ME và AE lớn

- Vấn đề ăn mòn chổi quét ở ME và AE

- Có thể gây ra hiện tượng xoán trục khi có tải, mà nguyên nhân là đáp ứng chậm của nó

- Không có khả năng dự phòng online, rất khó cho bảo vệ khi tất cả các thành phần của hệ thống đều là cơ cấu quay

Vì những nguyên nhân này mà hiện nay phần lớn hệ thống kích thích DC đã được thay thế bằng hệ thống kích thích tĩnh

b) Bộ kích thích xoay chiều (AC)

Bộ kích thích AC vẫn được sử dụng trong công nghiệp ngay cả ở các máy đồng bộ mới Nó được thiết kế trên cơ sở sử dụng một máy phát điện đồng bộ (Excitation Synchronous Generator-ESG) và một cầu chỉnh lưu diode gắn trên trục của nó Bộ kích

thích AC gắn đồng trục với máy phát

Hình I.3: Hệ thống kích thích xoay chiều

Khi hệ thống hoạt động, điện áp xoay chiều đầu cực ESG được chỉnh lưu bằng cầu chỉnh lưu diode để tạo ra dòng DC cấp trực tiếp tới dây quấn kích thích của máy phát.Điện áp đầu cực máy phát được điều khiển bởi bộ AVR thông qua điện áp Vcon Bộ kích thích AC có hệ số khuyếch đại khoảng 1/20(30) do chỉ sử dụng một máy phát kích thích, do vậy chỉ cần công suất bé để cấp cho hệ thống

hoặc không có điều khiển và cấp trực tiếp tới dây quấn kích thích thông qua cơ cấu chổi quét, vòng góp điện

Hình I.4: - Vị trí của hệ thống kích thích tĩnh

Hình I.5: Hệ thống kích thích tĩnh

Sự ra đời IGBT công suất lớn mở ra hướng thay thế cầu chỉnh lưu Thyristor có điều khiển bằng hệ Diode-IGBT điều khiển bằng phương pháp điều chế biên độ xung PWM Hệ chỉnh lưu Diod-IGBT có ưu điểm về điều khiển và bảo vệ là huớng phát triển triển vọng trong tương lai

Hình I.6: Cầu chỉnh lưu công suất có điều khiển dùng Thyristor và IGBT

Hệ thống kích thích tĩnh có ưu điểm về tính ổn định cao, dễ dàng thiết kế, chế tạo, vận hành và thuận lợi cho dự phòng thay thế Hơn nữa, bộ kích thích tĩnh được thiết kế trên cơ sở bộ chỉnh lưu Thyristor, có công suất kích thích được lấy từ đầu cực máy phát do vậy hằng số thời gian của hệ thống là bé Tuy nhiên, Hệ thống kích thích tĩnh gặp một số hạn chế như:

- Nguồn kích thích được lấy trực tiếp từ đầu cực máy phát nên cần phải có một nguồn công suất phụ độc lập để mồi từ cho hệ thống Hơn nữa, dễ sinh ra tia lửa điện ở cơ cấu vành trượt và chổi than

- Điện áp đầu cực máy phát biến thiên liên tục trong một dải lớn, do vậy miền biến thiên của điện áp kích thích là lớn, gây ra những ảnh hưởng xấu tới thiết bị nối với máy cũng như dây quấn Rotor và Stator

Những hạn chế này là nhỏ và được giải quyết bởi trình độ của khoa học kỹ thuật hiện tại Người ta có thể đưa ra các khái niệm về giới hạn kích thích và định ra giới hạn hoạt động của hệ thống Do vậy, hệ thống kích thích tĩnh được sử dụng rộng rãi, phổ biến trong các nhà máy phát điện

Bộ kích thích tĩnh có hai kiểu chính:

- Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn thế (Potential source-rectifier exciter)

- Kiểu kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp (Compound source-rectifier exciter)

d) Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thế

Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn thế, được sử dụng phổ biến hiện nay có công suất kích thích được cấp từ một máy biến thế (Potential Transformer - PT) nối với đâu cực máy phát, và được chỉnh lưu bởi cầu chỉnh lưu Thyristor hoặc hệ Diode-IGBT có điều khiển

e) Bộ kích thích chỉnh lưu nguồn hỗn hợp

Bộ kích thích kiểu nguồn hỗn hợp, được sử dụng trong một vài ứng dụng cụ thể, yêu cầu duy trì dòng ngắn mạch 3 pha trên đầu cực máy phát.Dòng ngắn mạch này không phải do lỗi gây ra mà là do dòng khởi động của một động cơ rất lớn gây nên sụt giảm điện áp máy phát gây ra Khi qua quá trình khởi động động cơ, điện áp sẽ được phục

hồi một cách nhanh chóng Trong trường hợp này hệ thống sẽ không thực hiện việc cắt máy cắt vì không phải là lỗi

Trong bộ kích thích này, ngoài biến áp lực người ta còn sử dụng 2 hoặc 3 biến dòng công suất lớn để cấp dòng kích thích trực tiếp tới cuộn Rotor khi ngắn mạch Bởi vì trong trường hợp đó ta không điều khiển được điện áp nữa do sự sụt giảm rất nhanh của điện áp đầu cực khi ngắn mạch, hoặc sụt áp

I.2 Xem xét điều khiển kích thích máy phát

Hầu hết các đối số điều chỉnh mà ảnh hưởng đến thao tác của hệ thống điều khiển kích thích được chứa trong các phần tử của hệ thống kích thích bao gồm bộ xác định lỗi điều chỉnh điện áp, các bộ bù, các giới hạn và bộ ổn định hệ thống kích thích

Điều khiển điện áp đầu cực là chức năng đầu tiên của bộ điều khiển kích thích, trong trường hợp máy phát điện đồng bộ nối lưới, chức năng điều khiển của hệ kích thích được chuyển sang ổn định công suất phản kháng hoặc ổn định hệ số công suất

f) Chức năng điều khiển bằng tay

Điều khiển bằng tay là một thành phần không thể thiếu của hệ thống kích thích, chức năng điều khiển bằng tay thường được thiết kế để điều chỉnh máy dòng điện hoặc điện áp kích thích từ không tải đến đầy tải Chức năng này được thực hiện khi thí nghiệm bàn giao (commissning) hệ thống và điều khiển dự phòng khi có lỗi xảy ra với bộ điều khiển tự động

g) Chức năng điều khiển tự động

Chức năng điều khiển tự động bao gồm các giới hạn của nó chứuc năng ổn định, điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát đồng bộ bởi cung cấp tín hiệu điều khiển tới cầu chỉnh lưu công suất Tất cả sự điều chỉnh, máy phát và hệ thống công suất đều ảnh hưởng đến điện áp đầu cực máy phát

Đặc tính ổn định

Đáp ứng của hệ thống kích thích biến đổi chậm theo tải, tần số và nhiệt độ của môi trường, tất cả kết hợp nên đặc tính ổn định của hệ thống Thuật ngữ điều chỉnh tải là điểm quan tâm kế của sự thay đổi điện áp mà kết quả là sự thay đổi tải Giả sử tải thay đổi từ không tải đến đủ tải trừ các trường hợp khác Bộ điều chỉnh tải thường được lấy ở +/-0.5%

Đặc tính tín hiệu nhỏ

Đặc tính tín hiệu nhỏ tham chiếu tới các đáp ứng của nó khi sự không tuyến tính trong thực hiện của hệ thống điều khiển kích thích có thể bỏ qua Đặc tính quá độ và tần số kết hợp với hệ thống điều khiển hồi tiếp là cơ sở đặc biệt của đặc tính tín hiệu nhỏ

Đặc tính tín hiệu lớn

Đặc tính tín hiệu lớn tham chiếu tới các đáp ứng của đầu ra hệ thống kích thích bất ngờ thay đổi lớn theo hệ tải mà đặc tính thực hiện của hệ thống kích thích không tuyến tính

a) Chức năng điều khiển bù

Một số lớn các chức năng điều khiển bù ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống kích thích Các chức năng này có thể không được trang bị trong hầu hết các hệ thống hoặc chỉ được active trong các trường hợp đặc biệt khi thực hiện ở chế độ điều khiển tự động Thông thường nó bao gồm các thành phần trong hệ thống điều khiển kích thích máy phát đồng bộ và không bao gồm các chức năng bảo vệ, mặc dù nó cần thực hiện đóng với vài chức năng bảo vệ nào đó Những hệ thống kích thích hiện đại thường được kết hợp giữa hai phần này Hệ thống kích thích được kết hợp bao gồm những thành phần: Bộ điều khiển điện áp tự động, bộ điều chỉnh bằng tay, giới hạn kích thích, bộ ổn định hệ thống công suất, giới hạn Volts/Hertz

Các chức năng điều khiển bù bao gồm: Bù độ chúc cảm kháng, Bù sự chênh lệch cảm kháng khi các máy nối lưới hoặc nối song song với nhau, bù sự sụt áp gây ra do tải Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất(PSS) là một chức năng điều khiển bổ sung để trang bị cho hệ thống kích thích nhằm tăng tính ổn định của hệ thống công suất, ổn định của tần số máy phát khi máy nối tải.PSS sẽ giảm thiểu sự giao động của tần số máy phát

b) Chức năng giới hạn

Giới hạn dưới kích thích

Giới hạn dưới kích thích được tính đến trong hầu hết các ứng dụng để ngăn cản sự hoạt động phần dưới kích thích của đường cong khả năng của máy đồng bộ (thướng gây ra sự nóng của lõi thép Stator), hoặc hoạt động trong một khu vực tiệm cận với giới hạn cân bằng trạng thái ổn định hoặc cả hai Mặc dù giới hạn dưới kích thích thường là một thiết bị cảm nhận trở kháng, mục đích là nó có thể được so sánh với đường cong khả năng của máy phát điện đồng bộ hoặc giới hạn cân bằng trạng thái ổn định Thao tác của nó được kết hợp với bảo vệ mất kích thích cho máy phát đồng bộ Trong một vài trường hợp, giới hạn dưới kích thích không được đóng với PSS Giới hạn dưới kích thích có thể được chỉ lại trên cơ sở nhiệt độ hoạt động của máy phát điện đồng bộ

Giới hạn quá kích thích

Giới hạn quá kích thích được sử dụng ban đầu để tránh sự quá nhiệt của cuộn dây kích thích máy phát điện đồng bộ khi dòng kích thích trên sự hoạt động danh định Nhiệt độ quá tải của cuộn dây này tỉ lệ nghịch với thời gian, và hơn nữa giới hạn này có thể được chậm trể Giới hạn này thường được kết hợp trong một hệ điều khiển đa bậc và các khối bảo vệ cho dây kích thích Giới hạn quá kích thích có thể được đưa ra trên cơ sở làm lạnh máy phát điện đồng bộ

Giới hạn Volts/Hertz

Giới hạn Volts/Hertz có cùng tên như vậy vì từ thông tỉ lệ với điện áp đầu cực trên tần số Từ thông dư thừa này có thể gây ra sự quá nhiệt và phá hỏng lõi sắt và sự cách điện của cuộn dây Stator Giới hạn V/Hz được sử dụng để ngăn cản sự quá nhiệt xuất hiện từ sự dư thừa từ thông do sự hoạt động dưới tần số hoặc quá áp hoặc cả hai Giới hạn V/Hz thường được dùng để bảo vệ một máy phát điện đồng bộ (và các máy biến thế kết nối với nó) trong suốt quá trình khởi động, các chủ thể có thể của máy phát (và các máy phát kết nối với nó) tới hệ kích thích trong suốt quá trình giảm tốc độ (và sau đó là giảm tần số) Nó cũng được dùng để bảo vệ máy phát đồng bộ (và các máy biến thế nối với nó) từ mức từ thông cao, khi điều này xảy ra với máy ở chế độ off-line, trong suốt quá trình đó không có dòng cảm ứng phần ứng để chống lại sự tăng điện áp đầu cực máy phát tương ứng với sự tăng dòng kích thích Cũng như vậy, thỉnh thoảng được sử dụng khi hai máy đồng bộ được khởi động đồng bộ với nhau, một như motor và một như máy phát Trong kiểu hoạt động này, giới hạn V/Hz hành động khi điện áp đầu cực máy phát tăng khi tần số tăng Đặc tính V/Hz nên được xem xét

Chức năng điều khiển Var/Pf

Trong vài ứng dụng, bộ điều khiển điện áp thỉnh thoảng được bổ sung hoặc thay thế với một bộ điều khiển hoặc điều chỉnh Var hoặc hệ số công suất PF Vậy đối tượng điều khiển lúc đó sẽ là công suất phản kháng Q(Var), hoặc hệ số công suất Cosϕ

I.3.Xem xét về mặt điều khiển

a Diệt từ

Phương pháp triệt tiêu năng lượng có thể bao gồm một ngắt từ AC kết hợp với mạch shunt cầu chỉnh lưu có điều khiển crowbar và một điện trở lớn Mạch điều khiển kích thích đặc biệt cưỡng bức đầu ra tới không hoặc điện áp âm có thể được sử dụng trong hầu hết các hệ thống kích thích hiện đại Phương pháp shutdown dự phòng thường sử dụng để chống lại lỗi của ngắt

Trong các cấu hình của hệ thống kích thích tĩnh cho phép dùng một bộ ngắt ngắn mạch Đặc biệt mạch điều khiển kích thích cưỡng bức đầu ra tới 0 được sử dụng cho hầu hết hệ thống Bộ diệt từ tác động nhanh có thể được thực hiện theo phương pháp số

b Đơn vị điều khiển bằng tay

Chức năng điều khiển bằng tay có thể dùng một biến trở trong trường hợp bộ kích thích quay DC Chức năng điều khiển này thường được dùng trong hệ chỉnh lưu quay Trong hầu hết kiểu kích thích, vài dạng điều chỉnh DC được kết hợp để cung cấp chức năng điều khiển điện áp kích thích hoặc dòng kích thích Quá trình tự động điều chỉnh tới chức năng điều khiển bằng tay điện áp hoặc dòng hoặc cả hai có thể là kết quả từ lỗi gây ra bởi một thành phần điều khiển, hoặc khi phát hiện ra lỗi hoặc quá kích thích (quá áp hoặc quá dòng)

Trong vài hệ thống, AVR được yêu cầu cho thao tác vận hành độc lập Trên các hệ thống này, chuyển đổi tới thao tác điều khiển bằng tay không cho phép và lỗi của AVR có thể là làm đóng ngắt một thiết bị chuyển mạch hoặc chuyển sang chế độ hoạt động

c Đơn vị điều khiển tự động

Chức năng điều khiển tự động được xây dựng theo yêu cầu điều khiển máy điện đồng bộ Thông thường một hệ thống điều khiển kích từ được trang bị nhiều chức năng điều khiển như điều khiển điện áp đầu cực máy phát, điều khiển công suất phản kháng, hệ số công suất… Mỗi chức năng điều khiển hoạt động theo yêu cầu và trong các trường hợp khác nhau

Chức năng điều khiển tự động của hệ thống điều khiển kích thích có thể được điều khiển và giám sát từ xa, qua giao tiếp mạng

Một đơn vị tự động start/stop được xem xét để đưa hệ thống kích thích vào hoạt động hoặc remove nó ra khỏi hệ thống trên cơ sở đóng mở các tiếp điểm

I.4.Chức năng bảo vệ hệ thống

Chức năng bảo vệ hệ thống được xem xét trên cơ sở những sự cố có thể xảy ra và ảnh hưởng của nó đối với hệ thống kích thích và các thiết bị liên kết với hệ thống Theo đó, những lỗi được xem xét khi xây dựng hệ thống kích thích là:

- Mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR - Lỗi ở AVR

- Lỗi cầu chỉnh lưu Thyristor - Ngắn mạch

- Chạm đất cuộn dây Rotor

a) Mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR

Khi mất cảm nhận hồi tiếp tới AVR do nguyên nhân lỗi đường truyền từ máy biến thế trường tới AVR AVR nhận được một điện áp rất thấp và sẽ cố làm tăng nó bằng cách điều khiển tăng điện áp kích thích, dấn đến điện áp đầu cực sẽ tăng Điện áp đầu cực có thể tăng đến 60% tùy vào các giá trị quá kích thích, hoặc dưới kích thích đặt cho máy Đây là mức điện áp nguy hiểm đối với cuộn dây máy phát và các thiết bị sử dụng Nếu máy nối lưới, khi tăng công suất kích thích không làm tăng điện áp đầu cực máy phát mà chỉ làm tăng công suất phản kháng lên lưới Những máy khác sẽ hấp thụ công suất phản kháng của lưới để duy trì sự ổn định điện áp đầu cực, gây ra sụt công suất tác dụng của toàn lưới và làm quá nhiệt ở cuộn dây Rotor

Lỗi này được xử lý bởi các Roler quá áp đặt ở đầu vào dây quấn Rotor, các Roler quá áp để quan sát điện áp pha hoặc một chuỗi các Role quan sát cảm nhận đầu vào AVR

phá hỏng lớp cách điện của dây dẫn Khi máy nối lưới, máy sẽ hấp thụ công suất phản kháng của lưới để duy trì điện áp đầu cực Máy sẽ biến thành động cơ với công suất được cấp bởi lưới có thể gây ra xoắn trục Rotor, quá nhiệt ở cuộn dây Rotor do dòng kích thích cưỡng bức phản hồi từ lưới

Hệ thống hoạt động ở chế độ quá kích thích:

Trong trường hợp này, dòng kích thích lớn sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt và có thể làm hỏng lớp cách nhiệt ở cuộn dây Rotor Ngoài ra, điện áp đầu cực của máy sẽ rất lớn gây ra quá áp ở tải cũng như quá nhiệt ở cuộn Stator Khi máy nối lưới, máy sẽ bơm công suất phản kháng vào lưới, các máy khác sẽ hấp thụ công suất phản kháng của lưới để duy trì điện áp lưới ổn định, gây ra sụt công suất tác dụng của toàn lưới và gây ra quá nhiệt trên cuộn Rotor

Đây là hai chế độ hoạt động nguy hiểm đối với máy phát và các thiết bị kết nối với máy Để bảo vệ, ở đầu các cuộn dây kích thích, người ta sẽ gắn các Roler bảo vệ quá/dưới dòng, áp Các cảm biến nhiệt được cài đặt để đo nhiệt độ của dây quấn Rotor và Stator

c) Lỗi cầu chỉnh lưu Thyristor

Các lỗi xảy ra với cầu Thyristor là: Mất điều khiển, luôn mở, luôn đóng, hoặc một chiếc Thyristor nào đó bị hỏng…Khi đó chất lượng điện áp cạnh DC của Thyristor sẽ không tốt, hài không mong muốn, ảnh hưởng xấu đến điện áp kích thích cung cấp cho máy Để bảo vệ, người ta sử dụng các Rơle quan sát độ gợn sóng của dòng kích thích Lỗi cầu Thyristor còn xảy ra khi nhiệt độ trong tủ đựng là lớn, ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của Thyristor Do vậy ở trong các tủ đựng Thyristor nhiệt độ làm việc luôn được điều khiển và quan sát, hệ thống làm mát và bảo vệ quá nhiệt phải được lắp đặt tại đây

d) Ngắn mạch

Dưới điều kiện ngắn mạch, đáp ứng của hệ thống kích thích phụ thuộc vào thiết kế, và

khoảng cách từ vị trí ngắn mạch tới Khi ngắn mạch xảy ra điện áp đầu cực máy phát sẽ

giảm, dòng điện đầu cực tăng, có thể gây mất điều khiển AVR AVR có thể chuyển sang hoạt động ở chế độ điều khiển FCR hoặc ngắt mạch khi dòng tăng quá lớn và điện áp đầu cực tiến tới 0

Dòng điện tăng đột ngột này có thể phá hỏng Thyristor vì vậy trên các đầu vào của mỗi van chỉnh lưu Thyristor người ta còn đặt các cầu chì tác động nhanh để giới hạn dòng điện bảo vệ Thyristor

e) Lỗi chạm đất

Lỗi này được xem xét một cách ngiêm túc do hậu quả mà nó gây ra Cơ cấu chổi quét vòng góp điện có khả năng bị bụi bám vào gây chạm đất, vì thế người ta có thể xem đó là điểm đất của dây Rotor và máy vẫn hoạt động bình thường Tuy nhiên, nếu vì một nguyên nhân nào dó mà mạch từ có điểm chạm đất thứ 2 Khi đó, sự quá nhiệt nội tại của các thanh dẫn có thể phá hỏng sự cách điện của dây quấn Rotor Trong trường hợp này một rơle xác định điểm chạm đất được áp dụng cho điểm chạm đất thứ nhất, và cảnh báo hoặc ngắt mạch khi có một điểm chạm đất thứ 2 xuất hiện

CHƯƠNG II KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng nổi tiếng chế tạo hệ thống điều khiển kích thích máy phát, với công nghệ hiện đại với các hãng như Basler, ABB, AREVA… và hầu hết việc ứng dụng điều khiển các máy phát là những hệ thống kích thích tĩnh vì nó bộc lộ nhiều ưu điểm đáp ứng được yêu cầu hiện nay Thực tế, chúng tôi đã được chứng kiến phía công ty Nhiệt điện Uông Bí tại thị xã Uông Bí tỉnh Quảng Ninh đã và đang sử dụng 02 hệ thống kích thích tĩnh UNITROL5000 của hãng ABB cho hai máy phát 55MW từ năm 2001, hệ thống này đã thay thế hẳn phần máy phát kích nối liền trục với máy phát chính nên đã hạn chế nhiều sự cố do khâu máy phát kích luôn phải đại tu, hoặc sự cố và nhược điểm lớn nhất là do chổi than và vành trượt Đến nay hệ thống kích thích tĩnh làm việc rất ổn định, điều khiển tối ưu, gần như không gặp phải sự cố trong nhiều quý vận hành nên năng xuất phát điện của công ty tăng lên rõ rệt

Trên cơ sở đó, chúng tôi đã chọn hệ thống điều khiển kích thích tĩnh của hãng ABB để làm mục tiêu nghiên cứu học hỏi với mục đích chế tạo, tích hợp hệ thống để có sản phẩm tương tự và có giá thành rẻ hơn, chất lượng vẫn đảm bảo, làm chủ hơn về công nghệ Sau đây chúng tôi sẽ đề cập đến các vấn liên quan:

II.1.Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB:

UNITROL 5000 là dòng sản phẩm Hệ thống kích thích sử dụng công nghệ vi xử lý công nghệ mới nhất UNITROL là dòng sản phẩm kế thừa kinh nghiệm 40 năm chế tạo bộ chuyển đổi công suất và 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chế tạo hệ thống kích thích trên cơ sở sử dụng bộ vi xử lý

Hệ thống kích thích tĩnh (Static Excitation Systems - SES) được sử dụng cho các nguồn công suất 50Hz, 60Hz hoặc 16 2/3 Hz với dòng kích thích từ 1000Adc đến hơn 10.000Adc

Bộ điều chỉnh điện áp tự động (Automatic Voltage Regulating Systems – AVR) điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát được thiết kế đặc biệt sử dụng được với tần số từ 16 2/3 đến 400Hz

Ứng dụng truyền thông qua cáp quang, cáp đồng trục với chuẩn ARCnet

II.2.Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000

- Có 2 bộ điều khiển điện áp, một bộ có chức năng dự phòng (có thể lựa chọn) - Tín hiệu đầu vào được xử lý số bao gồm:

o Điện áp 3 pha o Dòng điện 3 pha

- Các chức năng điều khiển bổ sung được thực hiện bằng phần mềm, không cần bổ sung thêm phần cứng

- Dễ dàng mở rộng thêm đầu vào ra tương tự và số với bus ARCnet

- Có chức năng tự động ghi chép lại các sự kiện và các lỗi với tính thời gian thực - Có khả năng truy nhập từ xa thông qua các giao thức chuẩn như:

o Modbus, Mobus+, Profibus

- Bộ chuyển đổi công suất (Power Converter) được dự phòng Có thể lên tới 8 bộ chuyển đổi công suất được kết nối song song Sự dự phòng độc lập với cấu hình điều khiển

- Bộ chuyển đổi công suất được trang bị một thiết bị giám sát và hiển thị bao gồm: o Giám sát dòng vào thyristor

o Giám sát và điều khiển quạt

o Giám sát cầu chì, nhiệt độ bộ chuyển đổi công suất, luồng gió làm mát o Hiển thị dòng qua cầu thiristor

- Một Panel điều khiển được sử dụng để điều khiển hệ thống, hiển thị các thông số của máy phát, với khoảng cách lên tới 300m

- Một phần mềm CMT được sử dụng để giám sát và chẩn đoán từ xa các lỗi gây ra cho hệ thống

mạch mồi từ (Field Flashing) và phần đầu ra một chiều

Sự trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều chỉnh, giữa các thành phần bộ chuyển đổi công suất và với các thiết bị hiển thị được thực hiện thông qua bus nối tiếp ARCnet

Các Panel điều khiển có thể đặt và thao tác với khoảng cách lên tới 1000m thông qua cáp quang

II.3.1 Khối chuyển đổi công suất

UNITROL 5000 sử dụng hoặc bộ chuyển đổi công suất kiểu DCS500 hoặc UNL 13300 Kiểu và số bộ chuyển đổi công suất mắc song song dựa trên yêu cầu về điện áp trần và chu kỳ làm việc lớn nhất đối với hệ thống

Các chọn lựa có thể được đáp ứng theo:

II.3.2.Khối mồi từ (Field Flashing) và diệt từ (Crowbar)

Hình II.2: Mô tả khối mồi từ và diệt từ

Chức năng chính là tạo từ trường ban đầu cho hệ thống khi từ dư trong roto máy phát không đủ, diệt từ trong các trường hợp đặc biệt, như cắt kích từ đột ngột, sự cố roto hoặc ngắn mạch từ lưới Lúc đó điện áp sẽ bị hạn chế giá trị đỉnh sao cho trong vùng an toang, không gây phóng điện chọc thủng cách điện của thiết bị

II.3.3.Khối điều chỉnh điện áp.

Khối (bộ) điều chỉnh điện áp được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật Vi xử lý, sử dụng công nghệ kỹ thuật số và thực hiện bởi phần mềm UNITROL 5000 Đặc trưng nổi bật của UNITROL 5000 đó là sự mở rộng bổ sung các chức năng được thực hiện bằng phần mềm và không cần bổ sung thêm các thiết bị phần cứng

Hình II.5: Card diều khiển (COB)

Hầu hết các chức năng của UNITROL được thực hiện bằng phần mềm Phần mềm chuẩn được đưa ra bao hàm nhiều chức năng tạo sự hoạt động ổn định cho hệ thống kích thích, bao hàm cả các bộ ghi chép dữ liệu tự động, các sự kiện chẩn đoán và bảo dưỡng

II.3.3.1.Chức năng điều chỉnh

- Bộ điều chỉnh điện áp với PID (chế độ điều khiển tự động)

- Bộ điều chỉnh dòng kích thích với PI (Chế độ điều khiển bằng tay) - Chức năng bù tải phản kháng, hoặc bù độ dốc khi có tải tác dụng

- Chức năng chuyển đổi giữa các kênh điều khiển, giữa các chế độ hoạt động thường trực/dự phòng

II.3.3.2.Chức năng giám sát và bảo vệ

- Thời gian tăng kích thích

- Bảo vệ quá dòng (tức thời/ thời gian) - Bảo vệ Volts/Hertz

- Chức năng giám sát và bảo vệ được phân lớp theo 3 mức khác nhau: o Chỉ hiện thỉ lỗi

o Chuyển đổi kênh hoạt động đến thứ 2 hoặc bộ điều chỉnh dự phòng hoặc dùng bộ chuyển đổi công suất dự phòng

o Đóng ngắt tức thời cả hệ thống kích thích

II.3.3.3.Chức năng ghi dữ liệu

Phần mềm UNITROL 5000 có một bộ ghi các sự kiến (ghi chép tự động lỗi), nó có thể ghi tới 100 sự kiện và cảnh báo với thời gian thực Các sự kiện này được đọc và phân tích với Panel điều khiển hoặc một phần mềm CMT

Có đến 6 tín hiệu đo có thể được ghi chép trong thời gian thực với bộ ghi chép dữ liệu (Bộ ghi chép tự động dữ liệu) Các dữ liệu này có thể được hiển thị trên màn hình trong phần mềm hoặc hình LCD riêng

II.3.3.4.Chức năng giám sát bộ xử lý

Sau khi bộ cung cấp công suất được chuyển mạch on, bộ xử lý bắt đầu quá trình tự kiểm tra Bộ xử lý cũng giám sát sự biến đổi của điện áp cung cấp công suất

Card xử lý có chức năng watchdog giám sát chính xác sự vận hành của chương trình

II.3.3.5.Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS)

Mục đích của PSS là cải thiện sự ổn định của nguồn bằng cách cản lại sự dao động của tải

PSS được thực hiện bởi bổ sung vào đầu vào của bộ điều chỉnh điện áp, mang lại hiệu quả lớn đối với hệ thống kích thích tĩnh, nhưng cũng có hiệu quả cho hệ thống kích thích quay ABB đưa ra 3 kiểu khác nhau của PSS

- PSS phù hợp với IEEE

Với PSS phù hợp với 1EEE-PSS2A, cố định các đối số được xác định bởi sự tối ưu sự cản với bộ lọc điều chỉnh lead/lag Để xác định các đối số này, ABB có một phần mềm tính toán để lấy số liệu máy phát và dữ liệu hệ thống kích thích, cũng như máy biến áp và độ cảm kháng của lưới

- Bộ ổn định hệ thống công suất thích nghi (APSS)

Bộ ổn định hệ thống công suất thích nghi (APSS) làm việc với các đối số biến đổi được tính toán liên tục với các điểm làm việc và trạng thái dòng của hệ thống công suất Với UNITROL 5000, không cần phải bổ sung phần cứng như UNITROL P

- Bộ ổn định hệ thống công suất đa dải (MBPSS)

Thay vì một bộ lọc LEAD/LAG, MBPSS có 3 dải điều chỉnh làm việc riêng lẻ Đảm bảo làm việc hiệu quả trên một dải tần số rộng 0.05…4.0Hz Ba dải được thiết kế để ngăn cản các dao động từ trường tại tần số thấp, trung bình và cao

Bộ ổn định hệ thống nguồn là đặc thù tiêu chuẩn của hệ thống UNITROL500 Chức năng này được thực hiện trong phần mềm của card đo lường Mục đích của PSS là thiết lập một tín hiệu ổn định được yêu cầu để cải thiện làm giảm dao động của máy đồng bộ và dao động của hệ thống nguồn, vì thế để đóng góp ổn định hoàn toàn hệ thống Thuật toán điều khiển của PSS là dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE Std.421-Type 2A

Sự ổn định tín hiệu phù hợp với kết quả tín hiệu nguồn tăng từ sự kết hợp các tín hiệu đầu vào lưới điện (Pe) và tần số góc rotor (∆ω) Tín hiệu ra được đưa tới bộ điều khiển AVR

Hình II.6 Dưới đây mô tả toàn bộ các hàm truyền và sự tính toán đầy đủ cho tính năng PSS

Hình II.6: Toàn bộ các hàm truyền và sự tính toán đầy đủ cho tính năng PSS

II.3.3.6.Chức năng truyền thông với hệ thống

Panel phục vụ vận hành (LCP) nối với hệ thống thông qua giao tiếp RS485 Bộ hiển thị 4 line được sử dụng để chỉ chức năng của hệ thống, các đối số của hệ thống, giá trị đo lường, các báo hiệu… dạng text Hệ thống kích thích có thể được điều khiển thông qua các phím Push-buttons

Trong đó:

Pe: tín hiệu đầu vào lưới điện ∆ω: tần số góc rotor

Txx, Kxx: Hằng số thời gian và hệ số của các khối

Panel điều khiển LCP có thể được sử dụng cho bộ điều khiển tại chỗ, hặc từ xa Kết nối truyền thông với bộ điều khiển qua chuẩn ARCnet LCP được sử dụng để điều khiển hệ thống, hiển thị các gía trị hiện thời như điện áp và dòng điện Satator, điện áp và dòng điện rotor, công suất P, Q, tần số… và các sự kiện trong quá trình vận hành

Hình II.7: Panel điều khiển tại chỗ và từ xa

UNITROL 5000 có thể được kết nối tới máy tính với phần mềm CMT và thông qua một kết nối quang Điều này đảm bảo truyền thông nhanh với hệ thống kích thích Các thao tác điều khiển hệ thống có thể thực hiện ngay trên máy tính Việc hiển thị, giám sát các trạng thái làm việc cũng dễ dàng

Hình II.8: Khả năng truyền thông với máy tính

CHƯƠNG III THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Quy trình công nghệ chế tạo hệ thống điều khiển kích thích tĩnh

thích

Nhóm thiết kế, nghiên cứu, Xí nghiệp Cơ - Điện tử

thiết kế, nghiên cứu

Việc triển khai các công việc cụ thể, chúng tôi sẽ trình bày trong các chương sau

CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT SỐ

Sau khi nghiên cứu tìm hiểu về hệ thống kích thích tĩnh máy phát loại UNITROL5000 của hãng ABB, chúng tôi lựa chọn thiết kế hệ thống điều khiển kích thích ứng dụng cho các máy phát điện công suất trung bình và nhỏ, làm chủ công nghệ, thay thế hàng nhập ngoại Các thông số cần kiểm soát đó là giá trị điện áp tại đầu cực máy phát, của lưới khi máy đã được hòa, giá trị dòng điện Stator, công suất phản kháng Q, hệ số công suất cosϕ, giá trị dòng điện Rotor, điện áp Rotor Sở dĩ chúng tôi chọn thiết kế hệ thống này là trên cơ sở nội địa hóa sản phẩm, cạnh tranh hàng nhập ngoại và vì:

Ngành Điện là ngành hiện đang phát triển rất mạnh mẽ và hiện là trong nhóm ngành dẫn đầu về tốc độ trăng trưởng cũng như nhu cầu cấp bách của Nhà nước đề ra Đặc biệt việc phát triển những nhà máy thủy điện công suất trung bình và nhỏ đang được Nhà nước khuyến khích xây dựng

Hiện nay nhiều công ty Nhiệt điện và Thủy điện cũng đã và đang sử dụng hệ thống điều khiển kích thích tĩnh máy phát với độ ổn định và hiệu suất rất cao nên chúng tôi có thể dễ dàng so sánh, đánh giá thiết bị với phương pháp điều khiển này so với các hệ kích thích quay trước đây

Sau đây chúng tôi xin trình bày về thiết kế hệ thống trong đề tài này

IV.1 Thiết kế mô hình hệ thống

IV.1.1 Mục tiêu chung khi thiết kế hệ thống

Mục tiêu chung khi thiết kế hệ thống điều khiển kích thích tĩnh cho ngành điện là đảm bảo các tính năng sau:

a) Tính mở của hệ thống

Cho phép mở rộng, nối ghép thêm các loại thiết bị khác nhau và phát triển thêm các chức năng phần mềm quản lý, giám sát, điều hành chung trên cùng hệ thống Ngoài ra hệ thống cũng cần được sử dụng công nghệ tiên tiến phù hợp với su thế phát triển trong công nghệ

b) Tính linh hoạt của hệ thống

Hệ thống phải dễ dàng cho phép thêm hay bớt các thành phần trong hệ thống, mở rộng hệ thống, quản lý và cấu hình lại hệ thống tùy vào điều kiện của cơ sở ứng dụng

c) Tính thống nhất

Thể hiện trong xây dựng giao diện phần mềm, giao thức truyền thông giữa các khối làm việc trong hệ thống

d) Tính thích ứng cao

Hệ thống phải là một bộ phận trong hệ thống tự động hóa quản lý, điều hành chung của ngành điện Điều này được thể hiện thông qua việc hệ thống có khả năng kết nối mạng Internet

Trên cơ sở những yêu cầu đặt ra khi thiết kế hệ thống, chúng tôi xây dựng mô hình tổng

thể chung như sau: Hệ thống được xây dựng trên cơ sở mô hình phân cấp, theo đó hệ

thống được phân ra làm 3 cấp chính:

9 Cấp điều hành quản lý: bao gồm thiết bị điều khiển trung tâm (từ xa) đặt tại trung tâm điều hành sản xuất và máy tính được phép truy cập thông qua các chuẩn truyền thông công nghiệp và mạng LAN

9 Cấp điều khiển tại chỗ: (tại trạm điều khiển tại chỗ) Đo lường, giám sát, điều khiển tại chỗ

9 Cấp thiết bị hiện trường: Hệ thống máy phát, các biến áp lực và đo lường, các máy ngắt cấp nguồn lực và nguồn điều khiển các tín hiệu trạng thái làm việc của thiết bị được đưa về trạm điều khiển tại chỗ

IV.1.2 Quan điểm thiết kế hệ thống

9 Quan điểm thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm: Thiết bị điều khiển trung tâm cần có các yêu cầu sau:

- Quản lý: Lưu trữ dữ liệu lên quan phục vụ việc báo cáo tổng hợp, phân tích, cũng như nguồn cung cấp dữ liệu cho các hệ thống khác

- Điều khiển: Cho phép hệ thống chạy/ dừng và đặt các thông số theo yêu cầu sản xuất

- Giám sát, cảnh báo: Giám sát hoạt động của hệ thống, các thông số đo và cảnh báo các lỗi và nguyên nhân lỗi của hệ thống

9 Quan điểm thiết kế thiết bị điều khiển tại chỗ (điều khiển tại chỗ và thiết bị chấp hành)

- Có chức năng chính về tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ thiết bị điều khiển trung tâm

- Quản lý: Lưu trữ dữ liệu lên quan phục vụ việc báo cáo tổng hợp, phân tích, cũng như nguồn cung cấp dữ liệu cho các hệ thống khác

- Điều khiển: Cho phép hệ thống chạy/ dừng và đặt các thông số theo yêu cầu sản xuất

- Giám sát, cảnh báo: Giám sát hoạt động của hệ thống, các thông số đo và cảnh báo các lỗi và nguyên nhân lỗi của hệ thống

- Thực hiện các việc chuyển đổi, tác động chính theo các lệnh điều khiển từ xa và tại chỗ

- Có tính mở, có thể kết nối vào hệ thống lớn, dễ dàng thêm bớt mở rộng tính năng và công suất

9 Quan điểm thiết kế cấp thiết bị hiện trường

- Là phần tử trực tiếp cung cấp các tín hiệu đo lường, phản hồi phục vụ cho điều khiển, giám sát

- Các giá trị tín hiệu phải theo chuẩn tín hiệu công nghiệp, đảm bảo tương thích với các thiết bị tiêu chuẩn

9 Quan điểm về yêu cầu công nghệ truyền thông nội bộ và trong mạng

- Dữ liệu truyền thông cần đảm bảo an toàn trong khoảng cách truyền hợp lý - Đường truyền: trao đổi tín hiệu giữa các thiết bị điều khiển, giám sát thông qua

chuẩn truyền thông RS485

- Trao đổi dữ liệu không bị nhiễu, sử dụng cáp chống nhiễu như cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục vỏ bọc kim hoặc cáp quang (có bộ chuyển đổi quang/điện)

IV.1.3 Thông số yêu cầu đáp ứng của hệ thống

Bảng IV.1 Các thông số yêu cầu đáp ứng của hệ thống kích thích

Mức chất lượng Mẫu tương tự

sản phẩm tạo ra

6 Thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển kích thích không lớn hơn

7

Điện áp cực đại của hệ thống điều khiển kích thích không nhỏ hơn (tính theo điện áp kích thích định mức)

8

Dòng điện cực đại của hệ thống điều khiển kích thích không nhỏ hơn (tính theo dòng điện kích thích định mức)

9 Thời gian triệt từ lớn nhất để điện áp máy phát về không (0) trong điều kiện co sự cố không lớn hơn

IV.1.4 Thiết kế mô hình cấu trúc hệ thống

Hình: IV.1 Mô tả cấu trúc hệ thống

lường điều chỉnh, khối chỉnh lưu điều khiển công suất và khối mồi từ/ xả năng lượng là thuộc hệ thống kích thích tĩnh

Phần nguồn cấp kích thích có thể lấy từ ngay đầu cựa máy phát hoặc từ một nguồn tự dùng của hệ thống

Tin hiệu phản hồi điện áp được lấy từ đầu cực máy phát qua máy biến áp đo lường vào khối đo Tín hiệu dòng điện kích thích được lấy ngay phần hạ thế trước cầu chỉnh lưu điều khiển công suất

Tín hiệu điều khiển được điều chế thành tín hiệu chuẩn bởi khối đo lường và gửi tới khối điều chỉnh, khối điều chỉnh có nhiệm vụ gia công, tính toán (PID) và gửi tiếp đến khối điều khiển công suất (cầu chỉnh lưu có điều khiển), nó quyết định giá trị dòng điện cấp đến cuộn kích thích là bao nhiêu, tức là giá trị điện áp trên đầu cựa máy phát là bao nhiêu và giá trị công suất phản kháng là bao nhiêu nếu máy phát được nối lưới

Các tham số đặt được lập trình và lưu trong bộ điều chỉnh Và việc điều chỉnh tự động sẽ được thực hiện bởi mạch vòng kín

Mô tả tóm tắt hoạt động của những khối chức năng chính trong hệ thống

Việc mồi từ được thực hiện theo mô hình cấu trúc sau:

Nguồn cấp được lấy từ nguồn một chiều độc lập (Batt) hoặc có thể một nguồn độc lập xoay chiều rồi qua khâu chỉnh lưu và điện trở giảm dòng Dòng điện mồi từ được khống chế bởi thiết bị đóng ngắt (Field flashing breaker) qua đó dòng điện được cấp đến rotor Xem hình IV.2

Hình IV.2 Cấu trúc mạch mồi từ

Cấu trúc hệ điều khiển hai kênh:

Hình IV.3: Cấu trúc hệ điều khiển hai kênh

Trên cơ sở hệ thống làm việc có dự phòng bộ điều khiển Trường hợp có một kênh lỗi thì hệ thống sẽ tự động chuyển sang kênh còn lại để đảm bảo tính làm việc ổn định của hệ thống Khối điều chỉnh điện áp tự động (AVR) và khối điều chỉnh dòng điện kích thích tại một kênh luôn đồng bộ với nhau đảm bảo không bị quá độ khi chuyển trạng thái.AVR: Bộ tự động điều chỉnh điện áp

FCR: Bộ điều chỉnh kích từ đặt trước COB: Khối điều khiển

MUB: Khối đo lường

Cấu trúc khối diệt từ (Crowbar)

- Bao gồm các van bán dẫn mắc song song ngược rồi nối nối tiếp với RE

- Khối này làm việc tự động, khi năng lượng điện áp trên hai đầu dây quấn cuộn kích thích vượt quá giới hạn cho phép, các van sẽ tự động mở thông nối kín mạch xả qua

IV.1.5 Nguyên lý điện của hệ thống điều khiển kích thích tĩnh

Hình IV.5:Sơ đồ nguyên lý điện hệ thống điều khiển kích thích tĩnh máy phát

IV.2 Nghiên cứu xây dựng phần mềm hệ thống kích thích

Để xây dựng phần mềm cho hệ thống, chúng ta có các quy trình như sau:

Quy trình khởi động và dừng máy phát:

Hình: IV.6 Giản đồ trình tự khởi động/dừng máy phát

Quy trình khởi động và dừng kích từ:

Hình IV.7: Giản đồ trình tự khởi động/dừng kích từ

Các chế độ làm việc của máy phát:

Máy phát có ba chế độ làm việc như sau: - Máy phát làm việc không tải

- Máy phát làm việc có tải và có hòa lưới - Máy phát làm việc có tải độc lập

Khi làm việc, quan hệ năng lượng trong máy phát nói riêng và máy đồng bộ nói chung được thể hiện như trong hình IV.8 Tất cả những thông số làm việc phải nằm trong phạm vi giới hạn cho phép Trên cơ sở các giới hạn, việc triển khai viết chương trình cho điều khiển, bảo vệ là rất cần thiết

Hình IV.8 : Đồ thị quan hệ năng lượng trong máy đồng bộ

Trên cơ sở đáp ứng việc trình tự hoạt động của phần điều khiển, và theo yêu cầu công nghệ chúng tôi đưa ra hệ thống sơ đồ logic như sau:

Hình IV.9: Định nghĩa các tên địa chỉ đầu vào và đầu ra

Hình IV.10: Mã hóa tín hiệu, đối tượng

HìnhI IV.11: Lệnh điều khiển máy cắt kích từ

Hình IV.12: Hàm giới hạn