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 hình tài chính, hay tính toán sinh học…
3.3 Mô hình mô phỏng của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 trong Simulink/Matlab Simulink/Matlab
35
Mô hình của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 đƣợc mô phỏng trong Simulink/Matlab với các thông số của máy phát và kích từ nhƣ đã mô tả trong mục 3.1.3.
Mo hinh nha may nhiet dien Quang Ninh 2
Discrete, Ts = Ts s. Va (pu) A B C Tu dung 2 (30MW) A B C Tu dung 1 (30MW) -C- Tu du 2 1e-3 Tu du 1 A B C a b c Three-phase Transformer 4 360 MVA 20 kV / 550 kV A B C a b c Three-phase Transformer 3 360 MVA 20 kV / 550 kV A B C A B C
Three Phase Fault
A B C
Tai
Vout Vin
Tu du Dong dien stator
Goc lech rotor Toc do A B C May phat 4 Tu du Dong dien stator
Goc lech rotor Toc do A B C
May phat 3 Line
?
Double click here for more info
A B C
20000 MVA, 500 kV
Iabc 1 Goc lech rotor 1 Toc do 1
Iabc 2 Goc lech rotor 2 Toc do 2
Hình 24 Sơ đ m phỏng nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2 Th ng số máy phát m phỏng trong Simulink/Matlab
Máy phát đƣợc mô phỏng là loại máy phát cực ẩn, với các thông số theo dữ liệu của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2.
36
Th ng số máy biến áp m phỏng trong Simulink/Matlab
Máy biến áp đƣợc mô phỏng là loại máy biến áp ba cuộn dây, với các thông số theo dữ liệu của nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 2.
Hình 26 Th ng số máy biến áp m phỏng trong Simulink/Matlab Th ng số của hệ thống kích từ m phỏng trong Simulink/Matlab
Kích từ cho máy phát đƣợc mô phỏng dựa theo mô hình IEEE type 1. Do dữ liệu về hệ thống điều khiển kích từ của nhà máy Quảng Ninh 2 không đƣợc nhà thầu cung cấp nên trong mô phỏng sử dụng các số liệu mặc định của mô hình này.
37
Hình 27 Th ng số hệ thống đi u khiển kích từ m phỏng trong Simulink/Matlab
3.4 Đề xuất các kịch bản mô phỏng
Mục đích nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng phát hiện mất kích từ của máy phát với các sơ đồ bảo vệ khác nhau. Hiện nay các sơ đồ phƣơng thức bảo vệ chỉ sử dụng dòng điện và điện áp (sơ đồ U-I) ít đƣợc dùng do độ chính xác không cao (tham khảo mục 2.3). Sơ đồ bảo vệ sử dụng đặc tính tổng trở kết hợp phần tử định hƣớng (tham khảo mục 2.4.2) phải tính toán phức tạp, giá trị cài đặt phụ thuộc một phần vào tổng trở hệ thống điện, do đó rất khó có số liệu chính xác, vì vậy cũng ít đƣợc sử dụng.
Do đó trong phần mô phỏng này s tập trung nghiên cứu với hai loại sơ đồ phƣơng thức bảo vệ mất kích từ phổ biến:
Phương thức bảo vệ mất kích từ sử dụng đặc tính tổng trở âm (tham khảo sơ đồ R-X mục 2.4.1): đây là sơ đồ bảo vệ truyền thống, đƣợc sử dụng rộng rãi.
38
Phương thức bảo vệ mất kích từ sử dụng đặc tính tổng d n (tham khảo sơ đồ G-B mục 2.5): đây là sơ đồ bảo vệ mới đƣợc đề xuất bởi hãng Siemens. Sơ đồ này có ƣu điểm là cài đặt thuận lợi do có thể ánh xạ từ biểu đồ công suất phát của máy phát.
Các kịch bản mô phỏng kiểm chứng đối với hiện tƣợng mất kích từ với máy phát đƣợc đề xuất nhƣ sau:
V mức độ mất kích từ của máy phát: xét hai trƣờng hợp là máy phát mất kích từ 100% và mất kích từ một phần (50%). Trƣờng hợp mất kích từ 100% có thể xảy ra do bị chạm chập tại các vành trƣợt của roto, trƣờng hợp mất kích từ một phần có thể xảy ra do trục trặc trong bộ điều khiển kích từ.
V mức độ mang tải của máy phát trước khi mất kích từ: do nhà máy đang xét là nhà máy nhiệt điện nên mức độ mang tải thấp nhất bị giới hạn bởi đặc tính kỹ thuật của lò hơi. Do đó trong luận văn xét với 3 kịch bản mang tải của máy phát nhƣ sau:
+ Máy phát mang tải 90%: đây là ngƣỡng vận hành hàng ngày đối với tổ máy của nhiệt điện Quảng Ninh 2.
+ Máy phát mang tải 70%: đây là mức độ mang tải thấp nhất theo thiết kế kỹ thuật của nhà máy.
+ Máy phát mang tải 100%: đây là mức độ mang tải cao nhất theo thiết kế của nhà máy, tuy nhiên trong thực tế vận hành do giới hạn kỹ thuật nên rất ít khi phát với mức công suất này.
Đánh giá phản ứng của các sơ đ bảo vệ khi c sự cố ngoài: mục đích của phần mô phỏng này là xem xét ảnh hƣởng của sự cố ngoài, nếu có gây dao động điện có thể gây tác động nhầm với các sơ đồ bảo vệ mất kích từ hay không. Sự cố ngoài đƣợc xét tại đƣờng dây 500kV lân cận đƣờng dây kết nối nhà máy với hệ thống.
39
3.5 Tính toán, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phƣơng thức bảo vệ
3.5.1 Tính toán, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phương thức bảo vệ theo sơ đồ R-X
Với thông số máy phát đã cho Xd=1.8 và X’d=0.229 thì đặc tính làm việc của rơle tổng trở hai miền âm đƣợc mô phỏng nhƣ sau:
- 1 - 0.5 0 0.5 1 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 R (pu)
X (pu) Dac tinh R-X
Vùng 1
Vùng 2
Hình 28 Đặc tính của rơle tổng trở hai mi n âm được m phỏng
Trong đó:
Mức độ dịch chuyển của hai đặc tính so với trục hoành ' 0.229 0.115 2 2 d X Đƣờng kính của vùng 1: 1 (pu)
Đƣờng kính của vùng 2: lấy bằng là Xd=1.81 (pu) Giá trị thời gian đặt cho các vùng nhƣ sau:
Vùng 1: Thời gian trễ của vùng 1 đƣợc chọn là 0,1 giây. Khi quĩ đạo đi vào vùng 1 thì bảo vệ s gửi tín hiệu cắt máy phát.
40
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.
3.5.2 Tính toán, lựa chọn giá trị chỉnh định cho các phương thức bảo vệ theo sơ đồ G-B
Với thông số máy phát cực ẩn đã cho Xd=1.8 thì đặc tính làm việc của rơle tổng trở hai miền âm đƣợc mô phỏng nhƣ sau:
- 2 -1.5 - 1 -0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 G (pu) B (pu) Dac tinh G-B Đặc tính 2 Đặc tính 1 Đặc tính 3
Hình 29 Đặc tính của rơle tổng trở hai mi n âm được m phỏng
Trong đó: Đặc tính 1: 1 1 1 1 0.56 1.8 d X X góc nghiêng α1≈800 Đặc tính 2: 2 1 1 1 0,9 0,9* 0.5 1.8 d X X góc nghiêng α2≈900 Đặc tính 3 (char. 3): 3 1 2 2 1.1 1.8 d X X góc nghiêng α3≈1100 Giá trị thời gian đặt cho các vùng nhƣ sau:
41
Vùng 1 & 2: khi quĩ đạo của tổng dẫn vƣợt qua đặc tính 1 hoặc 2 thì Thời gian trễ của vùng 1 đƣợc chọn là 0,5 giây s cảnh báo và s cắt sau 10 giây.
42
CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ CÁC NHẬN XÉT
Trong chƣơng này s trình bày các kết quả mô phỏng và các phân tích đánh giá dựa trên những kết quả này. Các kịch bản mô phỏng bao gồm:
Stt Loại sự cố Mức mang tải Ghi chú
1 Mất kích từ hoàn toàn
Máy phát mang tải 90% Máy phát mang tải 70% Máy phát mang tải 100%
2 Mất kích từ một phần
Máy phát mang tải 90% Máy phát mang tải 70% Máy phát mang tải 100% 3 Sự cố ngoài
4.1 Mô phỏng sự cố mất kích từ hoàn toàn
4.1.1 Các kịch bản
+ Kịch bản 1: máy phát 3 và 4 hoạt động ở 90% công suất định mức với hệ số công suất 0,9. Sự cố mất kích từ xảy ra ở máy phát 3 tại thời điểm t=12 giây. Điện áp kích từ của máy phát 3 bị mất hoàn toàn do sự cố.
+ Kịch bản 2: máy phát 3 và 4 hoạt động ở 70% công suất định mức. Các thông số khác tƣơng tự kịch bản 1.
+ Kịch bản 3: máy phát 3 và 4 hoạt động ở 100% công suất định mức. Các thông số khác tƣơng tự kịch bản 1.
4.1.2 Kết quả mô phỏng
Hình 30 biểu diễn công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và dòng điện hiệu dụng trong quá trình mất kích từ sự cố với 90% tải và hệ số công suất 0.9.
43
CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG MÁY PHÁT P , Q ( p u ) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 Thời gian (s) Công suất tác dụng Công suất phản kháng Thời gian (s)
GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG DÕNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP
U , I (p u ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 12.8644s 13.8084s Dòng điện Điện áp
Hình 30 Di n biến các th ng số trong quá trình hoàn toàn mất kích từ khi máy phát mang 90% tải và hệ số c ng suất 0,9
(a) C ng suất tác dụng và c ng suất phản kháng của máy phát (b) iá trị hiệu dụng dòng điện và điện áp pha
Khi xảy ra hiện tƣợng mất kích từ, do quán tính cơ, công suất cơ đầu vào và góc roto vẫn tạm thời là hằng số. Công suất phản kháng nhanh chóng giảm xuống 0