.Tự động hóa trong nhà máy thủy điện

Hình 1-7. Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điện

Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các bộ phận riêng rẽ. Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên bao gồm turbine và hệ thống thủy lực, do vậy các bộ điều khiển động lực đầu tiên liên quan tới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển các biến số của hệ thống cung cấp năng lượng. Chức năng của điều khiển kích từ là điều chỉnh điện áp máy phát và công suất phản kháng. Công suất phát mong muốn của các tổ máy phát đơn lẻ được xác định bởi các quá trình điều khiển phát điện của hệ thống.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.2. Điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ

Điều tốc (tuabin) là thiết bị dùng để truyền năng lượng và dòng chảy thành cơ năng để kéo máy phát điện hoặc các thiết bị khác.

Nhiệm vụ của bộ điều tốc trong trạm thuỷ điện:

+ Giữ cho số vòng quay của tổ máy không đổi trong phạm vi thay đổi phụ tải của máy phát

+ Phân bố phụ tải các tổ máy làm việc song song

+ Thực hiện quá trình mở và tắt máy trong điều kiện bình thường và điều kiện có sự cố.

a. Cấu tạo chung của thiết bị điều tốc

Mỗi nhà máy thuỷ điện đều được trang bị một hệ thống tự động ổn định tần số và tự động điều chỉnh điện áp. Với tuabin thuỷ lực thì sự nhạy cảm với vấn đề quá tốc (lồng tốc) là rất nghiêm trọng nên luôn được thiết kế khả năng tự bảo vệ quá tốc với ít nhất hai phương thức: bằng cơ học và bằng hệ thống tự động bảo vệ nằm trong hệ thống tự động kiểm tra khống chế bởi các thiết bị điện [13]

Việc giữ ổn định tần số lưới điện đảm bảo yêu cầu đã được nhiều tác giả nghiên cứu và giải quyết thực tế.Các công trình này khi nghiên cứu nhằm đảm bảo tính ổn định tần số đều thực hiện các phương pháp điều khiển kinh điển: Điều chỉnh theo nhiễu loạn dòng tải (I,cosφ). Điều chỉnh theo độ lệch (U) và nguyên lý kết hợp. Trong đó nguyên lý kết hợp được áp dụng rộng rãi nhất vì nó có nhiều ưu điểm hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1-8. Sơ đồ điều khiển nhà máy thuỷ điện

Máy điều chỉnh tốc độ quay turbine có nhiệm vụ tự động thay đổi mô men quay của turbine bằng cách điều tiết lượng nước vào tuabin. Để điều tiết năng lượng nước vào turbine người ta dùng hệ thống cánh hướng nước. Trong hệ thống điều tốc của nhà máy, các máy điều tốc sơ cấp của turbine ngoài nhiệm vụ điều chỉnh tần số (tốc độ quay) của turbine mà còn tham gia vào quá trình phân bổ công suất tác dụng giữa các tổ máy trong hệ thống điện. Máy điều chỉnh tốc độ trong nhà máy được chế tạo theo nguyên lý điều chỉnh gián tiếp thông qua khâu khuyếch đại thủy lực có cấu tạo đa dạng và phức tạp,gồm những phần tử chính sau :

* Phần tử đo lường: Bộ phận để phát hiện độ lệch tần số quay của tổ máy khỏi giá trị đặt, độ lệch tần số của điện áp máy phát điện, gia tốc tuabin hay thông số điều chỉnh khác.

* Phần tử khuyếch đại: Thường là bộ khuyếch đại từ hay khuếch đại thủy lực. * Cơ cấu thừa hành thủy lực (gọi là secvomoto) : Làm nhiệm vụ tác động trực tiếp vào bộ phận điều tiết để thay đổi năng lượng vào tuabin.

* Phần tử điều chỉnh: Thực hiện chức năng phản hồi cứng hoặc mềm theo vị trí của cơ cấu thừa hành thủy lực 3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Ngoài ra còn có các thiết bị phụ khác như cơ cấu hạn chế độ mở của cánh hướng nước, cơ cấu giới hạn cột nước …

Hệ thống điều tốc tự động của turbine là tổng hợp các cơ cấu thiết bị có nhiệm vụ cảm ứng sự thay đổi tốc độ quay của máy và thay đổi vị trí tương ứng của các cơ cấu điều chỉnh.

b. Các chức năng của điều tốc

- Điều khiển tổ máy phát điện vận hành trong các trường hợp:dừng chờ máy, chạy không tải, phát điện phụ tải và tiến hành chuyển đổi giữa các trạng thái trên.

- Tổ máy tự động thực hiện:mở máy,dừng máy và điều tiết khống chế phụ tải - Trước khi hòa mạng (chạy không tải): Điều khiển tổ máy dựa trên tần số hệ thống đánh dấu hoặc theo tần số đánh dấu đã cấp.

- Sau khi hòa mạng (có phụ tải): Điều khiển và khống chế tổ máy vận hành theo công suất chuẩn và chạy theo tốc độ chuẩn đồng thời điều khiển tổ máy tự động điều tiết công suất.

- Đặt tham số điều khiển dựa trên các trạng thái khác nhau của tổ máy.

- Kết nối tín hiệu với LCU tổ máy hoặc máy trên,điều tiết theo số thực tế đã đặt.

- Hiển thị các tham số đường dây: tần số lưới điện, tần số máy, công suất có tải, tốc độ, cột nước v.v...

- Hiển thị các thông tin đường dây:Các trạng thái vận hành và thông tin sự cố. - Chuyển đổi vận hành giữa thao tác bằng tay/tự động mà không gây nhiễu. - Có chức năng kiểm tra sự cố và báo lỗi: Bộ điều tốc có các chức năng kiểm tra, phân biệt và báo lỗi các trường hợp sau:

+ Kiểm tra sư cố tần số (tần số máy, tần số lưới điện) + Sự cố đứt dây phản hồi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

c. Điều chỉnh mô men trên trục tua bin

Điều chỉnh mô men trên trục tua bin Mt sao cho luôn cân bằng với mô men cản của phụ tải Mc (Mt=Mc). Theo hướng này, ta có các loại điều tốc điều chỉnh lưu lượng vẫn thường dùng trong các trạm thuỷ điện.

Muốn giữ cho vòng quay tổ máy n không đổi tức là giữ cho tốc độ góc là hằng số (=const) thì cần duy trì sự cân bằng giữa mô men quay và mô men cản. Mô men cản phụ thuộc vào phụ tải máy phát điện Nmp còn mô men quay của turbine Mt quyết định bởi công suất của turbine Nt, giữa chúng có quan hệ sau: . . t t N Q H M       (1.1) Trong đó:

Nt - Công suất thuỷ lực do dòng nước sinh ra trên trục tua bin (kW) ; Q - Lưu lượng của tổ máy (m3/s);

H - Cột nước làm việc của tua bin (m);  - Trọng lượng riêng của nước (kG/m3);  - Hiệu suất của turbine;

Từ những thành phần năng lượng trên ta có những loại turbine thuỷ lực sau: - Turbine xung kích đuợc chia ra các hệ sau:

+ Hệ turbine xung kích gáo (turbine Penton); + Hệ turbine xung kích kiểu phun xiên;

+ Hệ turbine xung kích hai lần (turbine Banki). - Turbine phản kích được chia ra các hệ sau:

+ Hệ turbine xuyên tâm hướng trục (gọi tắt là turbine tâm trục, hay Franxis); + Hệ turbine hướng trục (gồm turbine cánh quạt và turbine cánh quay);

+ Hệ turbine hướng chéo;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

+ Hệ turbine thuận nghịch (làm việc theo hai chế độ: máy bơm và turbine).

1.3. Máy phát điện

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện, điện năng ba pha được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản suất từ các máy phát điện quay bằng Turbine hơi, Turbine khí hoặc Turbine nước.

Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng.

Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng.

1.3.1.Kết cấu của máy đồng bộ cực lồi

Máy đồng bộ cực lồi [22] thường có tốc độ thấp, đường kính roto D có thể lớn tới 15m, trong khi chiều dài l lại nhỏ, với tỷ lệ l/D = 0,15 – 0,2

Máy phát điện đồng bộ đồng bộ gồm 2 bộ phận chính là Stato và Roto.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1-10. Mặt cắt ngang máy điện

Armature winding : Dây quấn phần ứng; Stator : Mạch từ Stator Slip ring & brushes : Vành góp và chổi than

Rotor : Mạch từ Rotor

Field winding : Dây quấn kích từ

a. Stator

Stato của máy phát điện đồng bộ cũng giống như Stato của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là lõi thép Stato và dây quấn ba pha Stato. Lõi thép Stator được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ lớp sơn cách điện và dọc chiều dài của lõi thép có các rãnh thông gió đặt nằm ngang trục để làm mát. Lõi thép Stator được đặt cố định trên thân máy. Dây quấn Stato gọi là dây quấn phần ứng và được đặt trong các rãnh của Stator .

b. Rotor

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Rôto máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có thể phân Rotor thành 2 loại chính : Rôto cực ẩn và Rôto cực lồi.

- Rotor cực ẩn (Salient pole rotor)

Rôto cực ẩn làm bằng lõi thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Dây quấn kích từ đặt trong rãnh Rotor bao gồm các bối dây đồng và được cố định bằng các nêm thép không từ tính. Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục của Rôto nối với 2 vòng trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi than để nối với nguồn kích từ. Với loại Rotor này thường có số cực 2p = 2, tốc độ quay Rotor lớn đường kính Rotor nhỏ nhưng chiều dài lớn và thường dùng cho các máy phát công suất lớn.

- Rotor cực lồi (Round pole rotor )

Rotor máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia coong thành khối lăng trụ hoặc hình trụ trên mặt có đặt các cực từ được ghép từ các lá thép dày 1-1.5mm. Dây quấn kích từ là các cuộn dây đồng được lồng vào thân cực. Với loại Rotor này thường có số cực 2p  4 tốc độ quay Rotor chậm, đường kính Rotor lớn và chiều dài ngắn và thường dùng cho các máy phát công suất nhỏ và trung bình.

1.3.2. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ

Chúng ta biết rằng máy phát làm nhiệm vụ biến cơ năng thành điện năng theo sơ đồ nguyên lý hình 1- 12 sau đây:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đó các năng lượng cơ dạng sơ cấp (như thế năng của nước ở các hồ đập, nhiệt năng của các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt, năng lượng hạt nhân hay sức gió, thủy triều…) qua một số khâu trung gian được đưa vào turbine nối với Rotor của máy phát. Khi Rotor được quay bằng các năng lượng sơ cấp trên và cho dòng kích từ vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường Rotor. Từ trường của Rotor sẽ cắt qua dây quấn phần ứng Stato và cảm ứng một sức điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng:

E0=Ke.Φ.f (1.2) Ke=4,44 .W1.Kdq (1.3) Trong đó:

Ke : Hằng số điện từ E0 : Là sức điện động pha W1 : Số vòng dây quấn 1 pha Kdq : Hệ số dây quấn

Φ: Từ thông cực từ Rôto

Nếu Rotor có p đôi cực, khi Rotor quay được một vòng, sức điện động phần ứng sẽ biến thiên p chu kỳ. Do đó nếu tốc độ quay của Rotor là n (v.s) tần số f của sức điện động sẽ là: f = p.n (1.3a)

Nếu tốc độ của Rôtor tính được bằng phút thì: * 60  p n

f (1.3b)

Dây quấn ba pha có trục lệch nhau trong không gian một góc là 1200 điện. Cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc pha là 1200 Khi dây quấn nối với tải, trong các pha sẽ có dòng điện ba pha. Giống như máy điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay, với tốc độ là: n1  60 * f

p (1.4) đúng bằng tốc độ quay (n) của Rotor. Do đó, kiểu máy điện này được gọi là máy điện đồng bộ xoay chiều. Từ công thức (1.2) ta thấy để thay đổi suất điện động E0 ta có thể có hai cách thay đổi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tần số f (hay thay đổi tốc độ quay của Rotor) hoặc thay đổi từ thông Φ (hay thay đổi dòng điện kích từ If). Nhưng khi điều chỉnh tốc độ quay của Rotor lại ảnh hưởng đến tần số của nguồn điện dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng của nguồn điện. Chính vì vậy cách này trong thực tế rất ít dùng mà trong thực tế sử dụng phương pháp thay đổi từ thông của máy phát bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của máy phát để thay đổi suất điện động E0 hay điện áp ra trên đầu cực của máy phát.

1.3.3. Phương trình điện áp và đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ.

Đối với máy phát điện đồng bộ tốc độ quay n = const được thể hiện rõ ràng thông qua các quan hệ giữa các đại lượng U, I, It, cosφ trong đó một số quan hệ chính xác được suy ra từ phương trình cân bằng điện áp tổng quát của một pha có dạng:

 

U E I r  jx

- -

Trong đó : - U

: điện áp ở đầu cực máy.

- rư và xбư là điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng. - E : sức điện động cảm ứng trong dây quấn do từ trường khe hở. Từ trường khe hở lúc có tải là do từ trường cực từ

1 F  và từ trường phản ứng u F  sinh ra.

- Trường hợp máy phát đồng bộ có mạch từ không bão hoà

Giả sử máy phát điện đồng bộ làm việc với tải đối xứng có tính cảm 0 <Ψ<900

.Trong máy điện cực lồi thì phân sức từ động phần ứng Fu

 thành hai thành phần dọc trục ud F  và ngang trục uq F  Từ thông  ud uq   tương ứng với sức từ động ud F  và uq F 

sẽ sinh ra trong dây quấn phần ứng các sức điện động:

ud E



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ud

E



= -j Iq Xưq (1- 6) Kết quả phương trình cân bằng sức điện động có dạng: U E0 Eud Euq Iru jxu           (1-7) 0 j dxud j qxuq j x u ru E U I I I  I           

Đồ thị véctơ suất điện động tương ứng với phương trình (1-7) được trình bày ở hình 1.13 tên là đồ thị Blondel.

a) Tải có tính cảm b) Tải có tính dung

Hình 1.13. Đồ thị suất điện động của máy phát điện cực lồi ở tải có tính cảm a và tải có tính dung b.

Vectơ -jxбư trong phương trình (1-13) do từ thông tản sinh ra và không phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở theo các hướng dọc trục và ngang trục. Nếu phân tích thành các thành phần theo hai hướng đó thì có:

-jxбư=-j(I  xбưcosΨ + I  xбưsinΨ) - jxбư=- jIq  xбư- Id  xбư và trở thành:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn U  =E0  - j d I  (xưd + xбư) – j Iq  ( xưq + xбư) - I  rư U  = E0  - j Id  x

Trong đó: xd = xưd + xбư là điện kháng đồng bộ dọc trục