CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ TUABIN – MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒ NG
3.6 Các giải pháp ngăn ngừa cộng hưởng dưới đồng bộ
Cộng hưởng dưới đồng bộ trong một hệ thống điện truyền tải có trang bị tụ bù dọc là một hiện tượng phức tạp, khi phân tích để đưa ra các giải pháp cần phải chú ý đến sự ổn định của hệ thống và chế độ vận hành an toàn cho thiết bị trên lưới. Bên cạnh đó, các yếu tố kinh tế cũng cần phải được xem xét để đưa ra tham khảo. Hiện nay, các giải pháp ngăn ngừa SSR đang được áp dụng như sau:
- Giải pháp thay đổi mức độ bù
- Giải pháp sử dụng các thiết bị bù có điều khiển - Giải pháp sử dụng bộ lọc tần số cộng hưởng - Giải pháp sử dụng relay phát hiện và ngăn ngừa
56 3.6.1 Giải pháp thay đổi mức độ bù
Một phương pháp để tránh hiện tượng SSR là giới hạn dung lượng bù được lắp đặt trên các đường truyền tải gần các nhà máy điện bị ảnh hưởng. Tuy nhiên, mức độ bù dọc thường được chọn dựa trên các yêu cầu về hiệu năng hệ thống và việc giảm mức bù dọc được cài đặt theo thiết kế có thể ảnh hưởng đến vận hành của hệ thống.
Một cách khác là điều chỉnh mức độ bù của tụ bù dọc bằng cách nối tắt 1 nhóm tụ. Việc giảm dung lượng bù làm cho hệ thống bớt khả năng sinh ra các tần số mà có khả năng gây ra cộng hưởng với tần số riêng của hệ trục máy phát.
Trong trường hợp hệ thống truyền tải thấp, có thể by-pass thiết bị bù ra khỏi hệ thống để đảm bảo an toàn cho nhà máy mà không gây ảnh hưởng đến việc vận hành bình thường của hệ thống điện.
Cách tiếp cận này đã được áp dụng tất cả các nhà máy ở miền Tây nước Mỹ, nhà máy Mohave cũng tiếp tục vận hành mà không gặp phải sự cố SSR lần nữa. Tại nhà máy điện Jim Bridger, các tụ bù dọc được trang bị trên cả ba đường dây chính kết nối nhà máy với lưới điện Tây Hoa Kỳ ở cả 2 phía hệ thống và máy phát, mức bù được thay đổi theo mức tải trên đường dây [6] [18].
3.6.2 Giải pháp sử dụng thiết bị bù có điều khiển
Các thiết bị bù có điều khiển đang được sử dụng rất rộng rãi trong hệ thống điện, nhờ tính linh hoạt trong vận hành, tuy nhiên xét trên yếu tố kinh tế, các thiết bị này có giá thành cao, yêu cầu phải được kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ thường xuyên. Trong các thiết bị này, TCSC được sử dụng nhiều như 1 giải pháp để hạn chế hiện tượng SSR. Cấu tạo của TCSC bao gồm 1 tụ bù dọc được mắc song song với cuộn kháng được điều khiển bằng hệ thống các van thyristor.
Khi được trang bị và thiết kế, việc thay đổi giá trị của tụ bù dọc thông qua điều khiển của hệ thống thyristor sẽ làm giảm khả năng xảy ra hiện tượng SSR, do giảm thiểu các tần số dưới đồng bộ có nguy cơ gây ra cộng hưởng.
Các thử nghiệm tại trạm biến áp BPA Slatt của Mỹ, đều chứng minh cho thấy TCSC có khả năng loại bỏ hiện tượng SSR tại nhà máy điện Boardman gần đó [7] [18].
Tuy nhiên việc trang bị TCSC cũng có những nhược điểm như: cần phải tính toán để điều chỉnh TCSC hợp lý để không xảy ra cộng hưởng và ít gây ảnh hưởng đến chế độ vận hành bình thường của lưới điện.
3.6.3 Giải pháp sử dụng bộ lọc tần số cộng hưởng a. Sử dụng bộ lọc tĩnh (thụ động) ngăn ngừa SSR
Bộ lọc tĩnh được sử dụng để ngăn chặn hiện tượng tương tác xoắn và mô-men xoắn quá độ trong SSR. Bộ lọc được thiết kế và bảo vệ một đối tượng riêng lẻ, cho nên không bị ảnh hưởng nhiều bởi những thay đổi hệ thống hoặc sự phát triển trong tương lai. Hiệu quả của bộ lọc có thể bị giảm do thay đổi tần số hệ thống vì nhiễu hoặc thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến điện dung của bộ lọc. Bộ lọc mắc thường được nối với trung tính của máy biến áp tăng áp, do đó cần phải
57 bố trí lại sơ đồ mặt bằng để đảm bảo khoảng cách an toàn và tăng cách điện máy biến áp.
Bộ lọc tĩnh được chọn làm giải pháp chính để khắc phục hiện tượng tương tác xoắn của SSR. Thiết bị này sẽ được thiết kế để loại bỏ các thành phần dòng điện mang tần số mà gây cộng hưởng, được ghép từ các bộ lọc riêng biệt. Mỗi phần của bộ lọc là một mạch cộng hưởng với tụ điện C song song với mạch RL.
Bộ lọc thụ động đầu tiên được lắp đặt tại của nhà máy điện Navaro ở Bắc Arizona từ tháng 4 năm 1976 [18], sau này các nghiên cứu thử nghiệm được mở rộng, đều chứng minh tính hiệu quả của bộ lọc thụ động.
b. Sử dụng bộ lọc tích cực (chủđộng) ngăn ngừa SSR
Bộ lọc tích cực là sử dụng các thiết bị điện tử công suất có điều khiển, được đặt nối tiếp với máy phát để loại bỏ điện áp không đồng bộ được tạo ra bởi dao động của rotor, do đó ngăn ngừa sự tự kích thích do tương tác của hệ thống điện và hệ thống cơ khí.
Các dao động của rotor làm tăng điện áp phần ứng dưới đồng bộ và siêu đồng bộ, mỗi loại khác nhau gây ra các hiện tượng khác nhau. Điện áp siêu đồng bộ sẽ tạo ra dòng điện phần ứng có xu hướng luôn cản các dao động. Điện áp dưới đồng bộ sẽ tạo ra dòng điện phần ứng có xu hướng tăng cường dao động. Bộ lọc tích cực thu một tín hiệu từ chuyển động của rôto, với mạch điều khiển phù hợp sẽ tạo ra một điện áp ngược pha và có cường độ đủ lớn để cân bằng với điện áp đồng bộ được tạo ra trong phần ứng bằng chuyển động của rôto.
Bộ lọc động có hiệu quả trong việc ngăn chặn sự tự kích thích do tương tác xoắn. Nó không bị ảnh hưởng bởi hệ thống hoạt động ở tần số ngoài định mức và gần như hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi hệ thống và số lượng tụ điện trong lưới.
Bộ lọc động khá tốn kém và nó không bảo vệ rôto khỏi tác động do các nhiễu loạn lớn trong hệ thống gây ra. Nó đòi hỏi một hệ thống điều khiển rất phức tạp và một nguồn năng lượng độc lập đủ lớn. Hiện tại, bộ lọc chủ động mới chỉ được ứng dụng trong các nghiên cứu và phân tích, cho kết quả tích cực, tuy nhiên chưa được áp dụng thực tế.
3.6.4 Giải pháp sử dụng role phát hiện và ngăn ngừa
Role ứng suất xoắn (Torsinal Relay) được thiết kế để giám sát dao động trên trục tuabin và máy phát, từ đó gửi tín hiệu cắt máy cắt đầu cực máy phát hoặc by-pass tụ bù dọc ra khỏi hệ thống điện khi dao động xoắn đạt đến một mức độ đặt trước. Role này chủ yếu được áp dụng để bảo vệ khỏi sự tương tác xoắn, đối với hiện tượng quá độ, role phản ứng chậm và không đủ tin cậy.
General Electric là công ty đầu tiên nghiên cứu về dòng role này, phiên bản đầu tiên SMF Relay được lắp đặt vào năm 1976. Từ năm 1995, các role xoắn bản kỹ thuật số đã được vận hành và vẫn còn tồn tại cho đến bây giờ.
Đây là một giải pháp tiết kiệm về chi phí đầu tư, tuy nhiên tồn tại nhược điểm ở góc độ nhà máy như: SSR chủ yếu xảy ra ở các nhà máy nhiệt điện, việc cắt máy cắt đầu cực khiến phải mất thời gian và chi phí để khởi động trở lại, đối
58 với các nhà máy cũ, hệ thống van điều chỉnh kém, có thể dẫn đến hư hỏng các đường ống dẫn hơi, khiến bất khả dụng tổ máy trong thời gian sửa chữa. Ở góc độ hệ thống điện, việc mất đi 1 tổ máy với công suất lớn gây khó khăn cho công tác vận hành, điều chỉnh tần số, điện áp, by-pass tụ tiềm ẩn nguy cơ gây mất ổn định hệ thống điện trong những trường hợp truyền tải công suất cao.
3.6.5 Giải pháp ngăn ngừa cộng hưởng dưới đồng bộ tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng
Hiện tại, NMNĐ Vũng Áng đang sử dụng giải pháp trang bị role ứng suất xoắn TSR (Torsinal Stress Relay), tủ role được trang bị như hình 3.26:
Hình 3.35 Tủ role TSR tại NMNĐ Vũng Áng Hệ thống TSR được lắp đặt như sau:
Hình 3.36 Sơ đồ trang bị hệ thống TSR NMNĐ Vũng Áng
59 Trong đó:
- Gồm 2 tủ role TSR cho mỗi khối máy phát - Gồm 2 cảm biến tốc độ được đặt trên mỗi tuabin
Nguyên lý làm việc của role TSR đó là: Bộ cảm biến được lắp đặt ở gối trục số 1 để giám sát tốc độ quay của tuabin, khi phát hiện tuabin xuất hiện dao động vào vùng gần với tần số dao động riêng của trục rotor, role sẽ gửi cảnh báo hoặc tín hiệu đi cắt máy cắt đầu cực máy phát tùy theo mức độ nguy hiểm.
Hình 3.37 Nguyên lý làm việc của role TSR
Trong quá trình vận hành cho đến nay, ghi nhận có 1 lần role TSR tác động cắt, tách tổ máy S2 ra khỏi vận hành vào lúc 7h23 ngày 21/01/2019.
Việc đầu tư, trang bị các thiết bị giảm thiểu rủi ro do SSR có quy mô đầu tư lớn, thời gian triển khai kéo dài do đó cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu. Vì vậy song song với việc tiếp tục theo dõi các thông số vận hành của hệ thống TSR, nhà máy nhiệt điện Vũng Áng đang tiếp tục triển khai để áp dụng đưa các bộ lọc thụ động vào làm việc nhằm hạn chế rủi ro.
HP LP Turbine Generator
Multilin UR
Speed Transducer
Speed Transducer
TSR Cabinet
Instability Trip Substation
Bus Breaker
Ethernet
Trip G1, G2, G3, G4 Line/Aux Trip
Breaker Status
Mode 1 Torsional Filters
Inverse Time Trip Function Alarms
Torsional Alarm (Low Level)
GE PAC2100 GSU
TS
Proprietary Information of General Electric Company
Instability Trip Mode 2
Instability Trip Mode 7
TSR Failed TSR Out of Service TSR Trouble
Trip Signals
Event Recorder Data
Customer's Laptop PC