Phƣơng pháp đo tổng trở đƣợc sử dụng rất phổ biến cho bảo vệ chống mất kích từ. Sơ đồ bảo vệ sử dụng rơle tổng trở, nhận tín hiệu điện áp và dòng điện đầu cực máy phát để tính toán tổng trở. Rơle đƣợc cài đặt nhìn vào trong máy phát.
Hình 15 Sử dụng rơle tổng trở bảo vệ mất kích từ
Tổng trở đầu cực máy phát đƣợc tính toán nhƣ sau:
2 2 2 2 2 * 2 2 2 2 2 2 *( ) * * U U U U P jQ U P U Q Z j R jX P jQ P Q P Q P Q I S (2.14)
Trong điều kiện làm việc bình thƣờng, máy phát phát công suất tác dụng và công suất phản kháng vào hệ thống, có nghĩa là cả R và X đều mang dấu dƣơng và điểm làm việc của rơle nằm ở góc phần tƣ thứ nhất của mặt phẳng tổng trở R-X.
23
Khi mất kích từ, máy phát nhận công suất phản kháng từ lƣới và điện kháng X nhìn từ rơle chống mất kích từ s mang dấu âm. Kết quả là, tổng trở đầu cực máy phát s dịch chuyển đến góc phần tƣ thứ tƣ trên mặt phẳng R-X.
Nhƣ đã phân tích trong mục 1.3: với mức mang tải trƣớc khi mất kích từ lớn, góc lệch của roto s tăng nhanh và đạt tới điểm cuối của quĩ đạo tại lân cận giá trị tổng trở siêu quá độ dọc trục và ngang trục (X’’d và X’’q). Hoàn toàn tƣơng tự, với mức mang tải trƣớc khi mất kích từ nhỏ, góc lệch của roto s tăng chậm và hệ số trƣợt tại điểm cuối của quĩ đạo nhỏ. Điểm cuối của đặc tính tổng trở s nằm tại lân cận giá trị tổng trở dọc trục và ngang trục của máy phát (Xd và Xq).
Quĩ đạo điểm cuối của đặc tính tổng trở đƣợc thể hiện trong Hình 16.
Hình 16 Quĩ đạo điểm làm việc của rơle tổng trở khi máy phát mất kích từ
Thông thƣờng, có 2 phƣơng pháp tiếp cận để phát hiện sự cố mất kích từ dựa trên đo tổng trở: (1) Sử dụng đặc tính tổng trở mho 2 vùng âm; (2) Sử dụng đặc tính tổng trở mho có miền dƣơng và âm kết hợp phần tử định hƣớng công suất làm mục đích giám sát [7].
24
2.4.1 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở âm
Hình 17 Đặc tính của rơle tổng trở hai mi n âm bảo vệ mất kích từ
Đặc tính làm việc của rơle tổng trở mho hai vùng âm trong mặt phẳng tổng trở là 1 vòng tròn có đƣờng kính bằng Xd và dịch theo trục X một khoảng –X’d/2 nhƣ trên Hình 17. Đặc tính này đƣợc xác định dựa theo các phân tích sau đây:
Khi xảy ra dao động điện hoặc mất đồng bộ với trƣờng hợp cực đoan là hệ thống có công suất vô cùng lớn, tổng trở hệ thống coi bằng 0, khi đó tâm dao động điện nằm chính giữa điện kháng X’d của máy phát. Do đó cả hai đặc tính đặc tính tổng trở âm này đều đƣợc cài đặt dịch đi một khoảng là –X’d/2.
Đối với các máy phát điện cỡ lớn hiện nay, Xd thông thƣờng có giá trị từ 1,5pu đến xấp xỉ 2 pu và miền làm việc của rơle chống mất kích từ phải lớn hơn Xd này. Tuy nhiên, đặc tính bảo vệ mở rộng s cần đặt thời gian làm việc trễ để tránh tác động nhầm trong các trƣờng hợp quá độ. Để tăng độ nhạy cho bảo vệ, đặt thêm một vùng bảo vệ giới hạn nhỏ hơn với đặc tính có đƣờng kính giảm xuống còn 1pu. Vùng với đặc tính giới hạn này có thể phát hiện mất kích từ khi máy phát ở trạng thái mang 100% tải cho tới mức mang tải 30%. Vậy đặc tính đƣợc chia thành hai vùng:
25
+ Vùng 2: có đƣờng kính là Xd
Về cài đặt thời gian:
Vùng 1: có đặc tính mở rộng giới hạn, có tính chọn lọc cao nên có thể cho phép tác động tức thời, do đó cung cấp bảo vệ cắt nhanh đối với các tình huống làm việc nặng nề đối với máy phát và hệ thống. Thông thƣờng thời gian trễ của vùng 1 đƣợc chọn là 0,1 giây.
Vùng 2: làm việc có trễ với thời gian thƣờng chọn trong khoảng 0,5 ÷ 0,6 giây. Mục đích tạo trễ để tránh tác động nhầm khi có sự cố ngoài mà sự cố này có thể gây dao động điện, khi đó tổng trở đo đƣợc có thể tạm thời đi vào vùng làm việc và rơle có thể tác động nhầm nếu không có thời gian trễ.
2.4.2 Phương thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo đặc tính tổng trở kết hợp phần tử định hướng
Hình 18 Đặc tính của rơle tổng trở kết hợp phần tử định hướng c ng suất
Sơ đồ này ứng dụng 2 vùng mho (có một vùng dƣơng) và một vùng định hƣớng để phát hiện sự cố mất kích từ. Ngoài ra còn kết hợp thêm phần tử điện áp thấp.
26
+ Vùng 1: có giá trị cài đặt mở rộng tới 1.1*Xd và dịch so với gốc tọa độ một khoảng X’d/2. Vùng 1 cho phép cài đặt thời gian cắt nhanh, thông thƣờng giá trị thời gian trễ là 0,1 giây.
+ Vùng 2 cài đặt phối hợp với giới hạn ổn định tĩnh và khâu giới hạn thấp kích từ. Trong trƣờng hợp vận hành bất thƣờng có kích từ thấp (có thể xảy ra do trục trặc của khâu giới hạn kích từ thấp) vùng 2 s đƣa ra tín hiệu cảnh báo để ngƣời vận hành có thể xử lý tình huống và s tác động sau khoảng thời gian 10 giây ÷ 1 phút nếu nhƣ không không thể khôi phục trạng thái bình thƣờng (giá trị thƣờng đặt là 1 phút). Phần dƣơng của đặc tính vùng 2 đƣợc lấy bằng tổng trở phía trƣớc máy phát (qui đổi về hệ đơn vị tƣơng đối theo công suất máy phát). Tổng trở này gồm tổng trở máy biến áp tăng áp đầu cực và tổng trở hệ thống (tổng trở hệ thống xét khi nguồn yếu, một đƣờng dây tách khỏi vận hành).
+ Phần tử điện áp thấp: trong trƣờng hợp xuất hiện cả điện áp thấp, thì đó là chỉ báo của trạng thái mất kích từ thật và hệ thống dễ rơi vào trạng thái sụp đổ, khi đó phần tử điện áp thấp s gia tốc cho thời gian vùng 2 chỉ còn từ 0,25 ÷ 1 giây (giá trị nhỏ dùng khi đặt tính tác động chỉ có một vùng, giá trị lớn dùng khi đặc tính tác động có 2 vùng). Ngƣỡng khởi động của rơle điện áp thấp có thể đặt trong khoảng 0,8 ÷ 0,9 điện áp định mức.
+ Phần tử định hƣớng: do vùng 2 có phần đặc tính dƣơng nên cần có phần tử định hƣớng công suất để tránh tác động nhầm. Vùng định hƣớng đƣợc cài đặt để phối hợp với công suất phản kháng phát tối đa (thông thƣờng cài đặt tới hệ số công suất 0,95 dòng điện vƣợt trƣớc) và vùng hoạt động đƣợc cài đặt để “nhìn vào” máy phát để tránh tác động sai trong trƣờng hợp sự cố ngoài. Thông thƣờng góc ngiêng của đặc tính này khoảng từ 100 ÷ 200, giá trị cài đặt thƣờng lấy là 130 [8].
27
Hình 19: ài đặt giá trị cho phần tử định hướng c ng suất
2.5 Phƣơng thức bảo vệ chống mất kích từ dựa theo tổng dẫn (sơ đồ G-B)
Nguyên tắc cơ bản của bảo vệ thấp kích từ dựa trên đo tổng dẫn là sự biến đổi giới hạn ổn định của máy phát trên mặt phẳng tổng dẫn. Tổng dẫn đầu cực máy phát đo đƣợc có thể nhận đƣợc từ phƣơng trình sau:
* * * 2 2 * I I U S P jQ Y G jB U U U U U (2.15)
Trong điều kiện làm việc bình thƣờng, máy phát phát công suất tác dụng và công suất phản kháng lên lƣới, vậy nên từ phƣơng trình ta thấy B mang dấu âm và G mang dấu dƣơng.
Trong hệ đơn vị tƣơng đối với U = 1 pu, giá trị trên mặt phẳng tổng dẫn s tƣơng tự nhƣ biểu đồ khả năng phát của máy phát trong măt phẳng P-Q. Đây là một ƣu điểm rất lớn do có thể tính giá trị cài đặt cho bảo vệ trong mặt phẳng tổng dẫn trực tiếp từ biểu đồ khả năng phát của máy phát. Hình dƣới đây biểu diễn một ví dụ về việc chuyển đổi ánh xạ từ biểu đồ khả năng phát của máy phát sang biểu đồ trong mặt phẳng G-B:
28
Hình 20: Ánh xạ từ biểu đ c ng suất phát sang mặt phẳng -B
Vùng ngoài của giới hạn công suất phát tƣơng tự nhƣ vùng hoạt động của rơle bảo vệ. Thông thƣờng, biểu đồ giới hạn công suất phát đƣợc cung cấp bởi nhà sản suất máy phát.
Hình 21 mô tả đặc tính của sơ đồ tổng dẫn:
Hình 21 Sơ đ bảo vệ mất kích từ dựa trên đo tổng d n ài đặt bảo vệ cho máy phát cực ẩn
Đặc tính 1 (char. 1): 1 1 1 d X X α1≈800 Đặc tính 2 (char. 2): 2 1 1 0,9 d X X α2≈900
29 Đặc tính 3 (char. 3): 3 1 2 d X X α3≈1100
ài đặt bảo vệ cho máy phát cực l i
Đặc tính 1: 1 1 1 1 1 1 ( ) 2 d q d X X X X α1≈800 Đặc tính 2: 2 1 1 d X X α2≈1000 Đặc tính 3: 3 1 2 d X X α3≈1100 Độ dốc của các đƣờng đặc tính trong mặt phẳng tổng dẫn để đạt đƣợc sự phối hợp tốt hơn tới biểu đồ công suất phát và giới hạn ổn định.
V thời gian làm việc: khi điểm làm việc của máy phát vƣợt quá đặc tính 1 và 2 thì bảo vệ s tác động sau khoảng thời gian trễ thƣờng là 10 giây. Việc cố tình tạo thời gian với mục đích để:
+ Đảm bảo bộ kích từ có thể đủ thời gian phản ứng nâng điện áp trở lại mức cần thiết
+ Nếu bộ điều chỉnh bị hỏng, điện áp kích từ bị giảm thấp thì có thể thực hiện việc gia tốc thời gian cắt đƣợc thông qua phần tử giám sát điện áp kích từ. o Khi điểm làm việc vƣợt đặc tính 3: cắt tức thời (sau 0,1 giây).
30
CHƢƠNG 3 THIẾT LẬP MÔ HÌNH VÀ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG
3.1 Giới thiệu về nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh
3.1.1 Quy mô xây dựng và chủ đầu tư
Nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đặt tại Hạ Long, Quảng Ninh, Việt Nam là nhà máy nhiệt điện đốt than bao gồm 04 tổ máy, mỗi tổ máy có công suất phát 300 MW đƣợc xây dựng làm hai giai đoạn: mỗi giai đoạn xây lắp và đƣa vào vận hành 02 tổ máy.
Chủ đầu tƣ ban đầu gồm 3 cổ đông: Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN), Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam, Tập đoàn xuất nhập khẩu xây dựng Việt Nam (Vinaconex). Dự án do China Shanghai Electric Group Co., Ltd (SEC) làm tổng thầu theo hợp đồng EPC Turnkey.
Lò hơi là lò than phun PC ngọn lửa hình W, khi cần có thể sử dụng dầu cho việc cháy ổn định và khởi động/dừng tổ máy. Công suất danh định của máy phát tuabin hơi là 300MW với hệ số công suất thiết kế của nhà máy là 0,85.
3.1.2 Sơ đồ nối điện chính
Nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh bao gồm 02 tổ máy số 3 và số 4 đƣợc nối lƣới 500 kV kiểu hợp bộ qua máy cắt đầu cực và máy biến áp chính.
Hình 22 Sơ đ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh
Trong luận văn s tập trung mô phỏng nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2
31
bị ảnh hƣởng của các máy phát lân cận, do đó chỉ tiến hành mô phỏng với nhiệt điện Quảng Ninh 2 gồm hai tổ máy nối trực tiếp lên lƣới 500kV, và cũng giúp giảm khối lƣợng tính toán khi mô phỏng do quá trình mô phỏng mất kích từ cần thời gian chạy chƣơng trình rất dài.
Hình 23 Sơ đ nối điện chính của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 được m phỏng trong luận văn
Nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 gồm 2 máy phát cực ẩn số 3 và số 4 đƣợc nối tới máy biến áp tăng áp đấu 20/550kV, tổ đấu dây Δ-Yo và đấu nối vào hệ thống điện Quốc gia thông qua đƣờng dây 500kV dài 3 km.
3.1.3 Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính
3.1.3.1 Máy phát điện
STT Thông số Đơn vị Thông số
1 Nhà chế tạo
Shanghai turbine
32
STT Thông số Đơn vị Thông số
2 Công suất đặt MVA 353
3 Tần số định mức Hz 50
4 Công suất phát liên tục lớn nhất tại đầu
cực máy phát MW 300
5 Công suất phát liên tục lớn nhất trên
thanh cái cao áp MW 300
6 Công suất tự dùng hữu công MW 25
7 Công suất biểu kiến máy phát MVA 353
8 Hệ số công suất định mức cos 0.85
9 Phạm vi điều chỉnh điện áp đầu cực % 10
10 Tỷ số ngắn mạch 0.6
11 Dòng điện Stator định mức A 10189
12 Điện kháng đồng bộ dọc trục (Xd) % trên định
mức 180
13 Điện kháng quá độ dọc trục bão hoà (X’dsat)
% trên định
mức 20.2
14 Điện kháng quá độ dọc trục chƣa bão hoà (X’dunsat)
% trên định
mức 22.9
15 Điện kháng siêu quá độ chƣa bão hoà (X”d = X”q)
% trên định
mức 17.2
16 Điện kháng đồng bộ ngang trục (Xq) % trên định
mức 175
17 Điện kháng quá độ ngang trục chƣa bão hoà(X’qunsat)
% trên định
mức 33.6
18 Điện kháng đồng bộ thứ tự nghịch (X2) % trên định
mức 15.9
19 Điện kháng đồng bộ thứ tự không (X0) % trên định
mức 7.53
20
Hằng số quán tính tuabin máy phát (H) Inertia constant of Generator Turbine (H)[MWs/MVA] or or (J) [kg - m2], or (GD2)[t-m2]
33
STT Thông số Đơn vị Thông số
21 Điện trở stator (Ra) tại nhiệt độc 150
C Ω 0.00212Ω/pha
22 Hằng số thời gian quá độ hở mạch dọc
trục (T’d0) s 8.6s
23 Hằng số thời gian siêu quá độ hở mạch dọc trục (T”d0)
s
0.044s 24 Hằng số thời gian quá độ hở mạch
ngang trục (T’q0)
s
0.956s 25 Hằng số thời gian siêu quá độ hở mạch
ngang trục (T”q0)
s
0.0744s 26 Hằng số thời gian quá độ ngắn mạch
dọc trục (T’d)
s
0.965s 27 Hằng số thời gian siêu quá độ ngắn
mạch dọc trục (T”d)
s
0.035s 28 Hằng số thời gian quá độ ngắn mạch
ngang trục (T’q)
s
0.184s 29 Hằng số thời gian siêu quá độ ngắn
mạch ngang trục (T”q)
s
0.035s
30 Tốc độ quay định mức vòng/phút 3000
31 Tốc độ quay lồng tốc vòng/phút 3300
32 Mô men quán tính kg.m2 J = 8180 kg-m2
3.1.3.2 Máy biến áp chính
Tên thiết bị Máy biến áp chính
Nhà sản xuất Shenyang Transfomer Co, Ltd.
Model DFPZ- 120000/500
Số pha 1- Pha 50Hz
Công suất định mức 3x120000KVA Điện áp định mức (550/1.732±10x1.0%)/20KV
Dòng điện định mức 396/6000A
Chế độ làm mát ODAF
Tổ nối dây Ynd11
Tổn thất không tải ≤ 80KW
Tổn thất khi có tải ≤ 240KW
Điện áp ngắn mạch % 14.5%
34 3.1.3.3 Hệ thống kích từ Các hạng mục Các thông số Các hạng mục Các thông số Model A5S-O/U231- D3200 Đầu ra lớn nhất 2 bộ 5100A DC/20sec Điện áp định mức 350V DC Đầu ra lớn nhất 3 bộ 6800A DC/20sec. Điện áp lớn
nhất 755V DC Chế độ chỉnh lƣu Cầu 3 pha có điều khiển Điện áp ngƣợc chịu đựng bộ chỉnh lƣu 2900V Số lƣợng tủ chỉnh lƣu 3 Giá trị định mức của đầu ra 2 bộ
2800A DC Chế độ làm mát cƣỡng bức (AF) Làm mát gió Giá trị định mức của đầu ra 3 bộ 3800A DC Dòng điện lớn nhất kích thích cƣỡng bức 2 lần dòng định mức rotor Hệ số cân bằng dòng điện >0.85 Độ ồn ≤ 85dB(A).
Kiểu Thyristor 5STP 18H4200. Dòng điện đm
Thyristor 2075A.
Điện áp khóa
Thyristor 4200V. Cấp bảo vệ IP42.
3.2 Giới thiệu về Matlab
MATLAB là một môi trƣờng tính toán số và lập trình, đƣợc thiết kế bởi công ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, v đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện ngƣời dùng và liên kết với những chƣơng trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống nhƣ C, C , và Fortran.
MATLAB đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển điện, tự động, đo lƣờng kiểm tra, phân tích mô