Nghiên cứu, nâng cấp hệ thống kích từ nhà máy thủy điện ka nak

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TAO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN VĂN TRÍ NGHIÊN CỨU, NÂNG CẤP HỆ THỐNG KÍCH TỪ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN KA NAK LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Bình Định - Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TAO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN VĂN TRÍ NGHIÊN CỨU, NÂNG CẤP HỆ THỐNG KÍCH TỪ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN KA NAK Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Người hướng dẫn: TS Đồn Đức Tùng LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu thân suốt thời gian thực đề tài chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận văn Nguyễn Văn Trí LỜI CẢM ƠN Để hồn thành cơng trình này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc kính trọng đến TS Đoàn Đức Tùng trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trình nghiên cứu Thầy dành nhiều thời gian, bảo hỗ trợ nhiều cho tơi suốt q trình thực đề tài Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Quy Nhơn, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật & Công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho học viên suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả luận văn Nguyễn Văn Trí MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chương GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN AN KHÊ - KA NAK 1.1 Vị trí cơng trình Thủy điện An Khê - Ka Nak 1.2 Thiết bị khí thủy lực Thủy điện Ka Nak 1.2.1 Tua bin thủy lực 1.2.2 Máy phát thủy lực 1.2.3 Thiết bị khí thủy lực phụ 1.3 Thiết bị khí thủy cơng 1.4 Thiết bị điện .9 1.5 Kết luận chương CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ THỦY ĐIỆN KA NAK 11 2.1 Khái niệm thông số hệ thống kích từ Thủy điện Ka Nak 11 2.2 Sơ đồ mạch thứ nhị thứ hệ thống kích từ Thủy điện Ka Nak 12 2.3 Bộ biến đổi AC-DC dùng Thiristor .14 2.4 Mạch kích từ mồi 18 2.5 Máy cắt kích từ FMK-QF hệ thống bảo vệ áp RMC 18 2.6 Bộ lọc sóng hài bậc cao phía nguồn cấp AC phía tải DC 19 2.7 Bộ AVR (Automatic Voltage Regulator) .20 2.7.1 Các khối chức AVR thủy điện Ka Nak 20 2.7.2 Các tín hiệu xuất đến phịng điều khiển trung tâm báo tủ kích từ 21 2.7.3 Các chức giám sát giới hạn 22 2.7.4 Các giới hạn kích thích 22 2.7.5 Các chế độ vận hành 26 2.7.6 Các tín hiệu cảnh báo, cố q trình vận hành 27 2.8 Cài đặt thơng số giới hạn tủ kích từ 28 2.9 Chu trình lơ gíc khởi động kích từ ngừng kích từ .30 2.10 Các bước kiểm tra thí nghiệm hệ thống kích từ 30 2.11 Một số nhược điểm hệ thống kích Thủy điện từ Ka Nak 38 2.12 Kết luận chương 39 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KÍCH TỪ THỦY ĐIỆN KA NAK 40 3.1 Đại cương .40 3.2 Xác định mối quan hệ U MF , I MF với k phI , k phU 42 3.3 Mơ hình hệ tự động ổn định điện áp máy phát thủy điện .43 3.4 Lập hàm truyền phần tử hệ 44 3.5 Lập hàm truyền hệ ổn định điện áp với phản hồi dương dịng điện âm điện áp có khâu hiệu chỉnh dương dòng điện âm điện áp 46 3.6 Nghiên cứu đánh giá AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mơ hình THYNE500/THYNE600 ANDRITZ Hydro nâng cấp cho TMH2 53 3.7 Mơ Matlab hệ thống kích từ Ka Nak có AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mơ hình THYNE500 / THYNE600 ANDRITZ Hydro nâng cấp TM H2 54 3.8 Kịch mô 57 3.8.1 Đánh giá độ ổn định tổ máy với thông số P, Q, U, I, F 57 3.8.2 Đánh giá khả làm việc AVR 58 3.8.3 Đánh giá khả làm việc van bán dẫn có điều khiển ( Thyristor) Q1 59 3.8.4 Đánh giá khả làm việc AVR 61 3.9 Chọn sơ đồ sợi để nâng cấp hệ thống kích từ tổ máy H2 .63 3.10 Kết luận chương 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT EVNGENCO2 : Tổng công ty Phát điện AVR : Tự động điều chỉnh điện áp PID : Bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, vi phân KI, KP, KD : Hằng số thời gian tích phân, tỉ lệ, vi phân HMI : Màn hình giao thức người máy SCADA/EMS : Hệ thống thu thập liệu, giám sát, điều khiển, quản lý lượng NMTĐ : Nhà máy thủy điện DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các quan hệ dòng áp biến đổi 17 Bảng 2.2 Kiểm tra đặc điểm Bộ Tự động AVR .32 Bảng 2.3 Kiểm tra đặc điểm Bộ Tự động AVR làm chế độ ổn định dòng .33 Bảng 2.4 Kiểm tra đặc điểm Bộ Tự động AVR làm chế độ ổn định dòng .34 Bảng 3.1 Tủ điều khiển AVR1/AVR2 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý hệ thống kích từ 11 Hình 2.2 Sơ đồ mạch thứ nhị thứ hệ thống kích từ 13 Hình 2.3 Cấu tạo thiristor 14 Hình 2.4 Kí hiệu thiristor .14 Hình 2.5 MBA kích từ chỉnh lưu cầu 15 Hình 2.6 Mạch báo tín hiệu đứt cầu chì .16 Hình 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha giản đồ vec tơ điện áp 16 Hình 2.8 Sơ đồ mạch kích từ mồi 18 Hình 2.9 Sơ đồ mạch máy cắt kích từ điện trở diệt từ 19 Hình 2.10.Bộ lọc sóng hài mạch AC .20 Hình 2.11 Bộ lọc sóng hài mạch DC 20 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý khối AVR 21 Hình 2.13 Bộ AVR thủy điện Ka Nak 21 Hình 2.14 Đặc tính P-Q máy phát điện 22 Hình 2.15 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc giới hạn dòng Rotor 23 Hình 2.16 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc giới hạn dòng Stator .24 Hình 2.17 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc giới hạn P/Q 25 Hình 2.18 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc giới hạn V/Hz 25 Hình 2.19 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc PSS 25 Hình 2.20 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc chế độ ổn định Q 26 Hình 2.21 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc chế độ ổn định hệ số công suất 27 54 Trong đó: - AVR (PID): chức điều chỉnh tự động điện áp đầu cực máy phát theo thuật toán PID - FCR (PI): chức ổn định dịng rơ to máy phát theo thuật tốn PI - AVR.UEL: chức tự động điều chỉnh điện áp giới hạn kích từ - AVR.OEL: chức tự động điều chỉnh điện áp giới hạn kích từ - FCR.UEL: chức điều chỉnh dịng rơ to giới hạn kích từ - FCR.OEL: chức điều chỉnh dịng rơ to q giới hạn kích từ - PSS: chức ổn định tĩnh công suất hệ thống 3.7 Mơ hệ thống kích từ Thủy điện Ka Nak có AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mơ hình THYNE500 / THYNE600 ANDRITZ Hydro nâng cấp TM H2 Hệ mô gồm tổ máy H2 hệ thống kích từ theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 xây dựng phần mềm Matlab/Simulink hình 3.11 Hình 3.11 Mơ hình mơ hệ thống kích từ máy phát điện Kanak 55 Với thơng số máy phát hệ thống kích từ xây dựng theo số liệu tổ máy H2 nhà máy Thủy điện Ka Nak Các thông số tổ máy thể chi tiết hình 3.12 Hình 3.12 Thơng số tổ máy H2 hệ thống kích từ Sơ đồ thuật tốn điều khiển AVR xây dựng theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mơ hình THYNE500 / THYNE600 ANDRITZ Hydro lắp cho TM H2 56 Hình 3.13 Xây dựng mơ hình thuật tốn điều khiển AVR 57 3.8 Kịch mơ Hệ mơ (với thơng số hình 3.12) tổ máy phát công suất P = 3MW, Q = 0,1 MVar Sau tăng cơng suất thêm (P = 2MW, Q = 0,1Mvar) Trong đó, cơng suất phát lên lưới 22kV huyện Kbang P = MW, Q = 0.1 MVAr; Công suất truyền tải lên lưới 110 kV P = MW, Q = 0.1 MVAr Sau thời gian vận hành ổn định tải địa phương đột ngột bị cắt P = 3MW, Q = 0,1 Mvar Mô tiến hành đánh giá trình vận hành máy phát H2 sử dụng AVR có thuật tốn theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mơ hình THYNE500 / THYNE600 ANDRITZ Hydro theo kịch 3.8.1 Đánh giá độ ổn định tổ máy với thông số P, Q, U, I, F Hình 3.14 Các thơng số P, Q, F, U, I, trước sau cố 58 Nhận xét: Với kịch nêu biểu đồ cơng suất P, Q nhận mơ hình 3.14 Dòng điện cấp cho tải biến động tương ứng Các thông số tần số điện áp giữ ổn định Tần số giữ ổn định chứng tỏ điều tốc làm việc tốt Điện áp giữ ổn định chứng tỏ điều chỉnh điện áp kích từ vận hành tốt Như máy phát đáp ứng chế độ ổn định tĩnh ổn định động với biến động công suất lưới 3.8.2 Đánh giá khả làm việc AVR Hình 3.15 Các thơng số U, P, n, If, Uf trước sau cố Nhận xét: Ta thấy thay đổi công suất huy động từ tổ máy dịng kích từ If áp kích từ Vf thay đổi tương ứng Thông số công suất tổ máy thay đổi tương ứng theo công suất tải Nhưng thông số tốc độ rotor (w), điện áp stator giữ ổn định 59 Hình ảnh mơ q trình thay đổi dịng kích từ áp kích từ thơng số khác đóng thêm tải cắt tải Hình 3.16 Mơ q trình thay đổi dịng kích từ áp kích từ thơng số khác 3.8.3 Đánh giá khả làm việc van bán dẫn có điều khiển ( Thyristor) Q1 Hình 3.17 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha sử dụng Thyristor 60 Quá trình thay đổi điện áp (V_sw1) dòng điện (I_sw1) van thyristor Q1 chỉnh lưu thời điểm xảy biến động công suất mô tả hình Hình 3.18 Dịng áp Q1 tăng tải Hình 3.19 Dịng áp Q1 sa thải tải 61 Nhận xét: Ở chế độ ổn định tĩnh chế độ ổn định động, dòng áp Q1 tăng giảm quy luật vật lý Xung điện áp, xung dòng điện van phân bố đều, khơng bị méo Vì vậy, van Thyristor làm việc ổn định, đạt yêu cầu 3.8.4 Đánh giá khả làm việc AVR Đánh giá khả làm việc AVR chế độ ổn định tĩnh ổn định động Với mô điện áp đầu cực máy phát, điện áp điều khiển AVR, góc mở Thyristor sung kích mở Thyristor Hình 3.20 Điện áp điều khiển AVR thông số khác tổ máy chế độ ổn định tĩnh chế độ ổn định động 62 Hình 3.21 Điện áp điều khiển AVR thông số khác tổ máy chế độ ổn định tĩnh Hình 3.22 Điện áp điều khiển AVR thông số khác tổ máy chế độ ổn định động Nhận xét: Từ kết mô trên, ta nhận thấy AVR làm việc tin cậy đáp ứng cho chế độ ổn định tĩnh chế độ ổn định động Giữ ổn định điện áp đầu cực máy phát, điều chỉnh dòng kích từ theo vật lý cách thay đổi góc mở Thyristor Các tín hiệu xung điện áp, xung dịng điện, xung kích mở Thyristor phân bố đều, theo chu kỳ điện áp, khơng bị méo Vì vậy, AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) đủ tiêu chuẩn để vận hành tổ máy H2 thủy điện Ka Nak 63 3.9 Chọn sơ đồ sợi để nâng cấp hệ thống kích từ tổ máy H2 – Thủy điện Ka Nak Hình 3.23 Sơ đồ nâng cấp hệ thống kích từ tổ máy H2 64 * Thiết bị tủ kích từ Bảng 3.1 Tủ điều khiển AVR1/AVR2 Ký hiệu VH Thiết bị CP-300 Cạc điều khiển CPU DX-010 Mơ đun tín hiệu kỹ thuật số AP-310 Card vi xử lý HMI Thiết bị giao tiếp người máy AI Module tín hiệu tương tự TR-310 Cạc đo lường PS-500 Cạc nguồn A20 Bộ chuyển đổi xung A21, A22 Bộ khuếch đại xung * Tủ chỉnh lưu SCR1/SCR2: - Cầu chỉnh lưu 1, cầu chỉnh lưu - Công tắc tơ mồi từ 220VDC - Bộ dập từ bảo vệ áp rô to - Bộ lọc RC phía nguồn cấp 224VAC - Bộ bảo vệ áp AC F50 - Quạt làm mát chỉnh lưu 1, chỉnh lưu - Máy cắt kích từ Q01 - Dao đổi cực tính Q09 - Các Lem dịng - Bộ chuyển đổi tín hiệu dịng IP, áp UP 65 * Ưu điểm hệ thống kích từ nâng cấp - Khắc phục triệt để tồn thiết bị cũ trình vận hành - Đảm bảo chức vận hành hệ thống cũ - Ghi nhận lưu trữ chi tiết kiện có tín hiệu lỗi xảy cố - Truy cập xem chi tiết lơ gic chương trình vi xử lý, thay đổi thuật tốn chương trình có yêu cầu mở rộng phạm vi xử lý - Can thiệp thay đổi thông số dễ dàng, lựa chọn chức theo yêu cầu người dùng 3.10 Kết luận chương Nội dung phần thực cơng việc sau: Phân tích chi tiết hệ tự động ổn định điện áp máy phát điện xoay chiều sử dụng thuật toán PID để đánh giá thông số tổ máy chế độ vận hành Đánh giá AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C) với mơ hình THYNE500/THYNE600 ANDRITZ Hydro với kịch tương tự chế độ vận hành tổ máy H2 Dựa vào kết phân tích để có sở kỹ thuật đánh giá khả đáp ứng AVR chế độ ổn định tĩnh chế độ ổn định động Xây dựng chương trình phần mềm Matlab/Simulink mơ hệ thống kích từ tổ máy H2 theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 Trên sở đánh giá kết từ kịch vận hành, tác giả đề xuất sơ đồ hệ thống kích từ 66 cho máy phát khắc phục nhược điểm hệ thống kích từ 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đối với nhà máy Thủy điện, để đảm bảo tính vận hành ổn định liên tục hệ thống công nghệ nhà máy phải làm việc hiệu như: hệ thống điều tốc, hệ thống bảo vệ rơ le, hệ thống SCADA, đặc biệt hệ thống kích từ cho máy phát điện Luận văn giới thiệu tổng quan thủy điện Ka Nak chi tiết hệ thống kích từ sử dụng nhà máy Từ tính tốn mơ để cải thiện chất lượng hệ thống kích từ dựa khâu tính tốn hiệu chỉnh Từ kết mô luận văn đánh giá ổn định tổ máy với thông số P,Q, U, I, F trước sau cố Để đánh giá ổn định điều tốc Bên cạnh kết thể khả làm việc AVR khả làm việc van bán dẫn Luận văn mô hệ thống kích từ máy phát từ phần mềm matlab/simulink đánh giá hệ thống qua nhiều trạng thái vận hành tổ máy Trên cở sở đó, đề xuất thộng thống kích từ phù hợp khắc phục tồn hệ thống kích từ Nội dung Luận văn giúp cho nhân viên vận hành hiểu sâu sắc hệ thống kích từ bao gồm phần lý thuyết thiết bị thực tế, giúp nhân viên vận hành làm chủ thiết bị để đảm bảo công tác vận hành 68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thuyết minh dự án Thủy điện An Khê - Ka Nak Công ty Cổ phần Tư vấn xây dựng điện [2] Operation and Maintenance Manual part I, Manual part II - Ka Nak Hydropower Plan [3] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, nhà xuất Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [4] PGS TS Võ Quang Lạp, TS Trần Thọ, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] GS TS Lã Văn Út, Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện, NXB Khoa học Kỹ Thuật [6] IEEE Guide for the Preparation of Excitation System Specifications ANDRITZ Hydro [7] IEEE 421.3-1997 Test Requirement for Excitation system ANDRITZ Hydro [8] IEEE recommended practice for excitation system models for power system stability studies ANDRITZ Hydro ... tục hệ thống công nghệ nhà máy phải làm việc hiệu như: hệ thống điều tốc, hệ thống bảo vệ rơ le, hệ thống SCADA, đặc biệt hệ thống kích từ cho máy phát điện Nghiên cứu hệ thống kích từ máy phát... máy H2 3 3.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu mơ hình hệ thống kích từ tĩnh máy phát điện - Nghiên cứu hệ thống kích từ + Tổng quan hệ thống kích từ + Nghiên cứu mơ hình PID hệ thống kích. .. Lai Nhà máy Thủy điện Ka Nak có hồ chứa hồ Ka Nak, có cơng suất lắp máy x 6,5MW Thủy điện Ka Nak bậc thang nhà máy Thủy điện An Khê có hồ chứa hồ An Khê, công suất lắp máy x 80MW Thủy điện Ka Nak