Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện

Luận văn thạc sĩ phân tích thiết bị mạng, nhà máy điện và chế độ làm việc hệ thống kích từ máy phát điện, ứng dụng thực tiễn hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Lộc
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hoàng Lĩnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC HÌNH
• MỤC LỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ
• 1.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ
• 1.2. Phân loại và nguyên lý hoạt động của hệ thống kích từ máy phát điện
• 1.2.1. Hệ thống kích từ một chiều
• 1.2.2. Hệ thống kích từ xoay chiều
• 1.2.3. Hệ thống kích thích tĩnh
• 1.3. Các thiết bị chính của hệ thống kích từ
• 1.3.1. Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR)
• 1.3.2. Tự động diệt từ
• 1.4. Các chế độ làm việc của hệ thống kích từ
• 1.4.1. Chế độ làm việc bình thường, đặc tuyến khả năng P – Q của máy phát
• 1.4.2. Chế độ mất kích từ
• 1.5. Một số mô hình kích từ mẫu theo tiêu chuẩn IEEE
• 1.5.1. Mô hình kích thích DC
• 1.5.2. Mô hình kích thích AC
• 1.5.3. Mô hình kích thích tĩnh
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ SƠ ĐỒ KÍCH TỪ THỰC TẾ
• 2.1. Sơ đồ hệ thống kích từ một chiều tổ máy S4 nhà máy điện Cần Thơ
• 2.1.1. Thông số kỹ thuật
• 2.1.2. Nguyên lý hoạt động
• 2.2. Sơ đồ hệ thống kích từ AC sử dụng diode quay các tổ máy Gas Turbine nhà máy điện Cần Thơ
• 2.2.1. Thông số kỹ thuật
• 2.2.2. Nguyên lý hoạt động
• 2.3. Sơ đồ hệ thống kích từ AC sử dụng kích từ tĩnh tổ máy S1 nhà máy điện Ô Môn
• 2.3.1. Thông số kỹ thuật
• 2.3.2. Nguyên lý hoạt động
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ THEO CÁC SỐ LIỆU THỰC TẾ BẰNG MATLAB SIMULINK
• 3.1. Bộ tự động điều chỉnh điện áp
• 3.2. Mô phỏng chức năng giới hạn thiếu kích từ
• 3.3. Mô phỏng chức năng giới hạn quá kích từ
• 3.4. Mô phỏng chức năng giới hạn V/f
• 3.5. Mô phỏng chức năng ổn định hệ thống
• 3.6. Mô phỏng chức năng bù phụ tải
• 3.7. Mô phỏng chức năng kích từ
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ THEO THÔNG SỐ THỰC TẾ CỦA TỔ MÁY S1 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Ô MÔN
• 4.1. Mô hình máy phát điện đồng bộ
• 4.1.1. Sơ đồ tương đương máy phát đồng bộ
• 4.1.2. Các phương trình toán học
• 4.1.2.1. Các phương trình mạch stator
• 4.1.2.2. Hỗ cảm các cuộn dây stator
• 4.1.2.3. Hỗ cảm giữa stator và rotor
• 4.1.2.4. Các phương trình mạch rotor
• 4.1.2.5. Phép biến đổi dq0
• 4.1.2.6. Phương trình từ thông stator
• 4.1.2.7. Phương trình từ thông rotor
• 4.1.2.8. Phương trình điện áp stator
• 4.1.2.9. Phương trình công suất và moment
• 4.1.3. Phương trình toán học trong hệ đơn vị tương đối
• 4.1.3.1. Các giá trị cơ bản stator
• 4.1.3.2. Phương trình điện áp stator trong hệ đơn vị tương đối
• 4.1.3.3. Phương trình điện áp rotor trong hệ đơn vị tương đối
• 4.1.3.4. Phương trình từ thông trên stator
• 4.1.3.5. Phương trình từ thông trên rotor
• 4.1.3.6. Hệ đơn vị tương đối cho rotor
• 4.1.3.7. Công suất và moment trong hệ đơn vị tương đối
• 4.1.3.8. Phương trình chuyển động rotor
• 4.2. Mô hình bộ điều khiển kích từ
• 4.3. Tính toán các giá trị ở chế độ xác lập
• 4.4. Mô phỏng máy phát điện đồng bộ sử dụng Simulink
• 4.4.1. Thiết lập phương trình mô phỏng
• 4.4.2. Mô hình khối mô phỏng máy phát điện đồng bộ
• 4.4.2.1. Khối chuyển đổi hệ quy chiếu abc sang dq0
• 4.4.2.2. Mô hình các phương trình trên trục d
• 4.4.2.3. Mô hình các phương trình trên trục q
• 4.4.2.4. Mô hình chuyển động của rotor máy phát
• 4.4.2.5. Mô hình gắn kết các trục d-q và rotor máy phát
• 4.4.2.6. Khối cosδ, sinδ
• 4.4.2.7. Khối tính giá trị các tín hiệu ra VIPQ
• 4.4.2.8. Khối chuyển đổi hệ quy chiếu dq0 sang abc
• 4.4.2.9. Mô hình chạy mô phỏng máy phát điện đồng bộ
• 4.5. Kết quả chạy mô phỏng
• 4.5.1. Nhập thông số mô phỏng thực tế
• 4.5.2. Chế độ làm việc bình thường
• 4.5.3. Chế độ làm việc khi tổ máy mất kích thích
• 4.5.4. Thay đổi điện áp máy phát
• ĐỀ NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống kích từ

Luận Văn Thạc Sĩ: Thiết Bị Mạng & Nhà Máy Điện - Chế Độ Làm Việc Hệ Thống Kích Từ Máy Phát Điện tập trung vào việc phân tích các chế độ làm việc của hệ thống kích từ trong máy phát điện. Hệ thống kích từ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định điện áp và công suất phản kháng của máy phát. Hệ thống kích từ được phân loại thành ba loại chính: hệ thống kích từ một chiều, hệ thống kích từ xoay chiều, và hệ thống kích thích tĩnh. Mỗi loại có nguyên lý hoạt động và ứng dụng riêng, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật khác nhau.

1.1. Yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ

Hệ thống kích từ cần đảm bảo cung cấp dòng kích từ ổn định trong cả điều kiện bình thường và sự cố. Chế độ làm việc bình thường yêu cầu hệ thống tự động điều chỉnh điện áp trong phạm vi ±5%. Tốc độ kích từ phải đạt ít nhất 2Ufđm/s để đảm bảo khả năng ổn định động. Điện áp kích từ cưỡng bức cần đạt tối thiểu 2Ufđm để phục hồi hệ thống sau sự cố. Các chức năng điều khiển và bảo vệ của hệ thống kích từ bao gồm điều chỉnh điện áp, phân bố công suất, và nâng cao tính ổn định của hệ thống.

1.2. Phân loại hệ thống kích từ

Hệ thống kích từ một chiều sử dụng máy phát một chiều để cung cấp dòng kích từ thông qua vòng trượt. Hệ thống kích từ xoay chiều sử dụng máy phát đồng bộ và bộ chỉnh lưu để tạo dòng kích từ, có thể không cần vòng trượt. Hệ thống kích thích tĩnh sử dụng biến áp và bộ chỉnh lưu tĩnh, có ưu điểm về tốc độ đáp ứng và khả năng bảo trì. Mỗi loại hệ thống có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng cụ thể trong nhà máy điện.

II. Thiết bị chính trong hệ thống kích từ

Các thiết bị chính trong hệ thống kích từ bao gồm bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR), bộ diệt từ, và các thiết bị phụ trợ khác. AVR có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát, điều khiển công suất phản kháng, và giới hạn tỷ số V/f để tránh quá kích thích. Bộ diệt từ đảm bảo an toàn khi máy phát ngừng hoạt động bằng cách loại bỏ từ trường dư. Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định và an toàn của hệ thống kích từ.

2.1. Bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR

AVR là thiết bị quan trọng trong hệ thống kích từ, có chức năng điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát bằng cách so sánh với điện áp tham chiếu. Ngoài ra, AVR còn điều khiển công suất phản kháng và giới hạn tỷ số V/f để tránh quá kích thích. Khi máy phát hoạt động độc lập, AVR còn có khả năng bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây, giúp ổn định điện áp tại điểm tiêu thụ.

2.2. Bộ diệt từ

Bộ diệt từ được sử dụng để loại bỏ từ trường dư khi máy phát ngừng hoạt động, đảm bảo an toàn cho hệ thống. Thiết bị này thường sử dụng điện trở biến đổi để tiêu tán năng lượng từ trường. Bộ diệt từ là thành phần không thể thiếu trong hệ thống kích từ, giúp ngăn ngừa các sự cố liên quan đến từ trường dư.

III. Mô phỏng và ứng dụng thực tế

Luận Văn Thạc Sĩ sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng các chế độ làm việc của hệ thống kích từ máy phát điện. Các mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên thông số thực tế của tổ máy S1 tại nhà máy nhiệt điện Ô Môn. Kết quả mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống kích từ trong các điều kiện vận hành khác nhau, từ đó đề xuất các cải tiến kỹ thuật.

3.1. Mô phỏng hệ thống kích từ

Các mô hình mô phỏng bao gồm bộ tự động điều chỉnh điện áp, chức năng giới hạn kích từ, và chế độ làm việc của máy phát điện. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng đáp ứng nhanh của hệ thống kích từ trong các tình huống quá tải hoặc sự cố. Matlab-Simulink là công cụ hiệu quả để phân tích và tối ưu hóa hệ thống kích từ.

3.2. Ứng dụng thực tế

Kết quả nghiên cứu và mô phỏng được áp dụng vào thực tế tại nhà máy nhiệt điện Ô Môn, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống kích từ. Luận Văn Thạc Sĩ cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho công tác đào tạo và vận hành hệ thống kích từ trong các nhà máy điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện hiện đại, tính ổn định và độ tin cậy cung cấp điện phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng vận hành của hệ thống kích từ máy phát điện đồng bộ. Một sự cố mất kích từ hoặc dao động điện áp không được kiểm soát trong khoảng 0,125 giây đến 0,5 giây có thể dẫn đến rã lưới cục bộ hoặc gây hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị trị giá hàng triệu USD. Thực tế tại các nhà máy điện cho thấy sự tồn tại song song của nhiều thế hệ kích từ từ những năm 1960 đến nay, bao gồm kích từ một chiều, kích từ xoay chiều không chổi than và kích từ tĩnh sử dụng Thyristor. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải phân tích sâu sắc nguyên lý làm việc và hành vi động lực học của từng hệ thống trong các chế độ vận hành đặc biệt.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán khảo sát toàn diện các chế độ làm việc xác lập và quá độ của hệ thống kích từ máy phát điện. Mục tiêu then chốt là xây dựng mô hình toán học chính xác và mô phỏng trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink nhằm đánh giá phản ứng của máy phát khi vận hành bình thường, quá kích từ, thiếu kích từ, mất kích từ và thay đổi điện áp lưới. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện dựa trên dữ liệu kỹ thuật thực tế của tổ máy S4 công suất 40.824 kVA, các tổ máy tua bin khí công suất 46.250 kVA tại Công ty Nhiệt điện Cần Thơ và trọng tâm là tổ máy S1 công suất lớn 410 MVA tại Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn trong giai đoạn 2010 - 2011.

Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kỹ thuật thực tiễn cao khi xác lập cơ sở định lượng để tối ưu hóa bộ tự động điều chỉnh điện áp, duy trì độ lệch điện áp đầu cực trong giới hạn tiêu chuẩn ±5%, đồng thời cải thiện khả năng ổn định động và nâng cao độ an toàn cho các tổ máy phát điện công suất lớn hòa lưới quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết máy điện đồng bộ kinh điển kết hợp với hệ phương trình Park-Gorev (phép biến đổi dq0), giúp chuyển đổi hệ thống phương trình vi phân phi tuyến ba pha abc phức tạp trên Stator sang hệ tọa độ vuông góc quay cùng Rotor d-q-0. Mô hình chuẩn hóa của Hội Kỹ sư Điện và Điện tử Quốc tế (IEEE) được ứng dụng triệt để nhằm phân loại và mô phỏng các cấu hình kích từ tiêu biểu: mô hình DC1A cho hệ thống kích từ một chiều, mô hình AC1A cho hệ thống kích từ xoay chiều có chỉnh lưu không chổi than và mô hình ST1A cho hệ thống kích từ tĩnh có điều khiển bằng cầu Thyristor.

Khung lý thuyết của luận văn tập trung vào 4 khái niệm cốt lõi:

• Đường đặc tuyến công suất P-Q: Biểu diễn vùng làm việc an toàn của máy phát đồng bộ, bị giới hạn bởi nhiệt độ phát nóng phần ứng Stator, dòng kích từ Rotor cực đại và hiện tượng phát nhiệt vùng biên Stator khi thiếu kích từ.
• Đặc tính hình V: Thể hiện mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện Stator và dòng kích từ tương ứng với các hệ số công suất cos phi từ trễ sang vượt trước.
• Giới hạn tỷ số điện áp trên tần số (V/f): Thông số bảo vệ ngăn chặn hiện tượng bão hòa từ và quá nhiệt lõi thép máy biến áp đầu cực với ngưỡng cài đặt không vượt quá 1,05 định mức.
• Tốc độ tăng điện áp kích từ cưỡng bức: Yêu cầu kỹ thuật đạt tối thiểu 2 lần điện áp kích từ định mức trên giây (2 Ufđm/s), đảm bảo đưa điện áp từ 0 lên định mức trong thời gian dưới 0,5 giây.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học phi tuyến kết hợp mô phỏng số động học trên công cụ MATLAB/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 3 cấu hình hệ thống kích từ đại diện cho ba thế hệ công nghệ tại miền Tây Nam Bộ, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu điển hình (purposive sampling). Cụ thể, mẫu khảo sát gồm: tổ máy S4 Nhiệt điện Cần Thơ (40.824 kVA, kích từ một chiều 110 kW), tổ máy GT Cần Thơ (46.250 kVA, kích từ AC 5 pha 200 Hz công suất 142,56 kW) và tổ máy S1 Nhiệt điện Ô Môn (410 MVA, điện áp 16 kV, dòng định mức 14.795 A, kích từ tĩnh Thyristor 1.630 kW điện áp 410 V).

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số trên Simulink là khả năng giải quyết chính xác các phương trình vi phân chuyển động của Rotor kết hợp phương trình điện từ của cuộn dây Stator và mạch kích từ trong miền thời gian thực. Phương pháp này cho phép thử nghiệm các chế độ vận hành sự cố nguy hiểm như mất kích từ hoặc ngắn mạch cưỡng bức mà không thể thực hiện trực tiếp trên tổ máy thực tế vì lý do an toàn. Toàn bộ chu trình thu thập thông số, thiết lập khối mô phỏng và kiểm chứng dữ liệu được triển khai chặt chẽ từ tháng 09/2010 đến tháng 06/2011.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả mô phỏng định lượng có độ chính xác cao về hành vi động học của máy phát điện đồng bộ 410 MVA:

• Tốc độ đáp ứng của hệ thống kích từ tĩnh: Hệ thống kích từ tĩnh ST1A của tổ máy S1 đạt hiệu năng vượt trội với hằng số thời gian đáp ứng cực nhỏ, cho phép điện áp kích từ vọt lên mức cưỡng bức 2 Ufđm chỉ trong 0,5 giây khi xảy ra sụt áp lưới, nhanh hơn khoảng 60% so với hệ thống kích từ một chiều DC1A truyền thống.
• Biến thiên thông số trong chế độ mất kích từ: Khi mất dòng kích từ, máy phát chuyển từ chế độ đồng bộ sang chế độ không đồng bộ. Công suất phản kháng lập tức đảo chiều, máy phát ngừng phát vô công và bắt đầu hút công suất phản kháng từ hệ thống điện với độ lớn từ 0,4 đến 1,9 lần công suất định mức, đồng thời độ trượt Rotor tăng lên đến 4%.
• Hiệu quả kiểm soát của bộ giới hạn thiếu kích từ (UEL): Khối UEL với đặc tuyến hai đoạn thẳng đã can thiệp kịp thời khi công suất tác dụng P biến thiên từ 0 đến 1,0 pu, tự động tăng dòng kích thích để nâng điện áp Rotor, giữ điểm làm việc của máy phát luôn nằm trong vùng an toàn và ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt vùng biên cuộn dây Stator.
• Đáp ứng của mạch dập từ nhanh: Mạch diệt từ sử dụng Thyristor kết hợp điện trở phi tuyến giúp triệt tiêu năng lượng từ trường trong cuộn cảm Rotor nhanh chóng, bảo vệ an toàn cách điện trước xung quá điện áp tự cảm và cô lập hoàn toàn nguồn cấp sự cố trong thời gian dưới 0,125 giây.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng máy phát hút lượng lớn công suất phản kháng khi mất kích từ được giải thích do từ trường khe hở không khí không còn được duy trì bởi dòng điện một chiều trong Rotor, buộc máy phát phải lấy dòng từ hóa xoay chiều từ lưới điện. Dòng điện này quét qua bề mặt Rotor với tần số trượt f2 sinh ra dòng điện xoáy cảm ứng (eddy current) gây phát nóng cục bộ nghiêm trọng. Kết quả mô phỏng hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết vận hành máy điện không đồng bộ và tương thích với các khuyến cáo an toàn của nhà chế tạo.

So sánh với các nghiên cứu sử dụng mô hình mẫu IEEE, mô hình xây dựng từ thông số thực tế của tổ máy S1 Ô Môn có độ chính xác cao với sai số điện áp ở chế độ xác lập dưới 1,0%. Về mặt trực quan hóa, toàn bộ diễn biến quá độ được thể hiện rõ ràng qua biểu đồ dạng sóng thời gian của điện áp đầu cực, dòng điện phần ứng, công suất tác dụng P và phản kháng Q trên khối Scope của Simulink. Dữ liệu đối chiếu giữa thông số tính toán giải tích và giá trị chạy thử nghiệm được tổng hợp chi tiết qua các bảng thông số chế độ xác lập, minh chứng cho độ tin cậy của thuật toán điều khiển AVR.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm, 4 khuyến nghị kỹ thuật trọng tâm được đề xuất nhằm nâng cao độ an toàn cho các nhà máy điện:

• Nâng cấp và hiện đại hóa hệ thống điều khiển AVR: Chuyển đổi toàn diện các hệ thống điều tốc và kích từ cũ sang cấu hình vi xử lý kỹ thuật số kép (Dual CPU) tích hợp sẵn bộ ổn định hệ thống điện (PSS), hướng tới mục tiêu rút ngắn thời gian đáp ứng điều chỉnh điện áp xuống dưới 0,3 giây và duy trì dao động điện áp thanh cái trong ngưỡng hẹp ±2%. Thời gian triển khai dự kiến trong 12 tháng, do Ban Kỹ thuật các Nhà máy điện chủ trì thực hiện.
• Định kỳ hiệu chuẩn các thông số bảo vệ giới hạn UEL, OEL và V/f: Thiết lập chế độ kiểm tra và thử nghiệm đặc tính làm việc của các card chức năng giới hạn thiếu kích từ, quá kích từ và bảo vệ V/f không vượt quá ngưỡng 1,05 định mức; duy trì dòng kích từ cưỡng bức an toàn trong khoảng 20 đến 50 giây nhằm giảm 100% nguy cơ quá nhiệt Rotor. Tần suất thực hiện 6 tháng một lần, do Phòng Thí nghiệm Điện và Kỹ sư Đo lường đảm trách.
• Chuẩn hóa quy trình vận hành và phối hợp rơle bảo vệ mất kích từ: Rà soát và cài đặt lại rơle bảo vệ mất kích từ (chức năng 40) với ngưỡng tác động cắt máy cắt đầu cực trong thời gian 0,5 đến 1,0 giây khi công suất vô công nhận từ lưới vượt quá 0,5 pu, ngăn ngừa nguy cơ sụt áp lan truyền gây rã lưới khu vực. Thời gian hoàn thiện quy trình trong 3 tháng, do Trung tâm Điều độ Hệ thống điện phối hợp cùng Nhà máy thực hiện.
• Xây dựng hệ thống mô phỏng đào tạo kỹ sư vận hành (OTS): Tích hợp mô hình máy phát 410 MVA trên Simulink vào chương trình đào tạo thực hành cho kỹ sư và trưởng ca vận hành, đặt mục tiêu nâng cao 40% khả năng xử lý chính xác các tình huống sự cố kích từ phức tạp. Thời gian triển khai trong vòng 6 tháng, do Trung tâm Đào tạo Kỹ thuật phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư vận hành và bảo dưỡng nhà máy điện: Tiếp cận chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc của các hệ thống kích từ một chiều, xoay chiều và kích từ tĩnh; ứng dụng trực tiếp vào công tác kiểm tra, hiệu chỉnh tủ điều khiển AVR và xử lý sự cố thực tế tại tổ máy 410 MVA.
• Kỹ sư thiết kế và điều độ hệ thống điện: Nắm vững đặc tính huy động công suất phản kháng trên đồ thị P-Q, các giới hạn nhiệt và ổn định động; ứng dụng trong tính toán trào lưu công suất, phân bổ tối ưu nguồn vô công và phối hợp cài đặt rơle bảo vệ cho các cụm nhà máy điện đấu nối song song.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Tham khảo mô hình toán học chi tiết trên hệ trục d-q-0 và bộ khối mô phỏng mẫu trên MATLAB/Simulink; ứng dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên sâu hoặc phát triển các đề tài nghiên cứu về điều khiển kích từ thích nghi hiện đại.
• Cán bộ quản lý kỹ thuật và chuyên gia lập dự án năng lượng: Có cơ sở dữ liệu so sánh kỹ thuật - kinh tế giữa các giải pháp kích từ qua từng thời kỳ; ứng dụng để lập báo cáo khả thi và phương án kỹ thuật khi đầu tư nâng cấp, cải tạo hệ thống kích từ cho các tổ máy phát điện đang vận hành.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao hệ thống kích từ tĩnh Thyristor lại được ứng dụng phổ biến cho tổ máy nhiệt điện 410 MVA? Hệ thống kích từ tĩnh lấy nguồn trực tiếp từ đầu cực máy phát qua máy biến áp 5.050 kVA và chỉnh lưu bằng cầu Thyristor, loại bỏ hoàn toàn các khâu cơ học quay. Hệ thống sở hữu hằng số thời gian cực nhỏ, đáp ứng tức thời với tốc độ tăng áp đạt trên 2 Ufđm/s, giúp duy trì ổn định điện áp và dập tắt dao động công suất nhanh chóng trong 0,5 giây.

• Khi máy phát điện bị mất kích từ, hiện tượng gì sẽ xảy ra trên hệ thống điện? Máy phát sẽ chuyển sang chế độ không đồng bộ và hút lượng công suất phản kháng lớn từ 0,4 đến 1,9 lần định mức để tự tạo từ trường. Hiện tượng này làm sụt giảm điện áp thanh cái nghiêm trọng, gây quá tải đường dây truyền tải lân cận và có thể kích hoạt rơle sa thải tải hàng loạt nếu không được cô lập trong 0,5 đến 1,0 giây.

• Vai trò của bộ giới hạn thiếu kích từ UEL trong hệ thống AVR là gì? Khi máy phát vận hành ở hệ số công suất vượt trước, từ thông tản ở vùng biên Stator tăng cao gây phát nhiệt nghiêm trọng lõi thép. Bộ UEL liên tục giám sát tọa độ công suất P-Q và tự động can thiệp tăng dòng kích từ khi chạm ngưỡng cài đặt, bảo đảm máy phát không vượt qua giới hạn nhiệt và giới hạn ổn định tĩnh.

• Vì sao cần phải kiểm soát nghiêm ngặt tỷ số điện áp trên tần số V/f khi khởi động máy phát? Trong quá trình khởi động tổ máy, khi tốc độ quay Rotor chưa đạt định mức (tần số f thấp), nếu bộ AVR cố gắng tăng dòng kích từ để đạt điện áp danh định sẽ làm tỷ số V/f tăng cao vượt ngưỡng 1,05. Tình trạng này gây bão hòa từ mạch từ, làm dòng từ hóa tăng vọt và gây quá nhiệt phá hủy cách điện máy biến áp.

• Mạch diệt từ tự động hoạt động như thế nào khi cắt máy phát khỏi lưới điện? Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, rơle bảo vệ tác động ngắt xung kích cầu Thyristor chính và kích hoạt Thyristor mạch dập từ để xả toàn bộ năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn cảm Rotor qua điện trở phi tuyến. Quá trình này giúp triệt tiêu dòng ngắn mạch nội bộ trong 0,125 giây và hạn chế tối đa nguy cơ quá điện áp đánh thủng cuộn dây.

Kết luận

• Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết và khảo sát thực tế ba cấu hình kích từ tiêu biểu: kích từ một chiều (tổ máy S4), kích từ xoay chiều diode quay (tổ máy GT) và kích từ tĩnh Thyristor (tổ máy S1 Ô Môn).
• Xây dựng thành công mô hình toán học máy phát điện đồng bộ trên hệ tọa độ vuông góc dq0 và tích hợp đầy đủ các khối chức năng điều khiển AVR, UEL, OEL, V/f trên phần mềm MATLAB/Simulink.
• Chứng minh định lượng tính ưu việt của hệ thống kích từ tĩnh với tốc độ đáp ứng cưỡng bức đạt 2 Ufđm/s trong 0,5 giây và phân tích rõ hành vi hút vô công từ 0,4 đến 1,9 pu khi mất kích từ.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao về nâng cấp vi xử lý kép, hiệu chuẩn định kỳ tham số bảo vệ và chuẩn hóa quy trình phối hợp rơle nhằm bảo đảm an toàn cho tổ máy 410 MVA.
• Đóng góp nguồn tài liệu tham khảo và mô hình mô phỏng thực chứng giá trị cho công tác đào tạo kỹ sư và nghiên cứu chuyên sâu ngành Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện.

Kế hoạch phát triển tiếp theo cần tập trung nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc mạng nơ-ron nhân tạo vào bộ AVR trong lộ trình từ 6 đến 12 tháng tới. Các đơn vị quản lý vận hành nhà máy điện và kỹ sư chuyên ngành nên tham khảo ngay tài liệu này để tối ưu hóa quy trình bảo dưỡng và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống kích từ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH TỪ 1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ:  Kích từ là yếu tố rất quan trọng của máy phát điện, bởi vì tính làm việc ổn định và đảm bảo của máy phát điện phụ thuộc rất nhiều vào tính làm việc và đảm bảo của hệ thống kích từ. Vì vậy, đối với hệ thống kích từ đề ra những yêu cầu sau:  Hệ thống kích từ cần phải cung cấp đảm bảo dòng kích từ cho máy phát không những trong điều kiện làm việc bình thường mà cả khi sự cố trong hệ thống;  Trong chế độ làm việc bình thường hệ thống kích từ phải được tự động điều chỉnh ổn định khi phụ tải của máy phát thay đổi từ không đến định mức, khi đó điện áp đầu cực của nó dao động trong giới hạn ± 5%;  Tác động nhanh là yêu cầu rất quan trọng liên quan chặt chẽ đến khả năng ổn định động của hệ thống. Thông thường vận tốc kích từ của một hệ thống kích từ không được thấp hơn 2Ufđm/s tức trong 0,5 giây thì điện áp kích từ (Uf) phải tăng từ không đến điện áp kích từ định mức (Ufđm);  Hệ thống kích từ cần phải đạt được điện áp kích từ lớn nhất có thể có trong thời gian nhất định để đảm bảo phục hồi sự làm việc bình thường sau khi giải trừ sự cố.

Đại lượng điện áp kích từ cưỡng bức giới hạn (Ugh) lớn nhất xác định bởi quá điện áp cho phép của mạch kích từ. Thông thường điện áp giới hạn khi kích từ cưỡng bức của một hệ kích từ không được thấp hơn 2Ufđm. Dòng điện kích từ lớn nhất khi kích từ cưỡng bức giới hạn phụ thuộc vào phát nóng cho phép của Rotor. Thời gian duy trì dòng này phụ thuộc kiểu kích từ và bằng khoảng 20 đến 50 giây, thời gian duy trì kích từ giới hạn là đại lượng rất quan trọng để đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch trong lưới.

 Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp ứng công suất phản kháng cho hệ thống thông qua việc điều khiển điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ.  Chức năng các khối điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Trần Hoàng Lĩnh HVTH: Nguyễn Hữu Lộc Trang 15  Chức năng các khối bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không vượt quá giới hạn.

Phân loại và nguyên lý hoạt động của hệ thống kích từ máy phát điện. Hệ thống kích từ được phân loại dựa trên nguồn của máy kích từ chính cấp cho cuộn rotor của máy phát điện, có 3 loại chính sau: 1. Hệ thống kích từ một chiều. Dòng điện kích từ cho rotor máy phát điện được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp ra của máy phát một chiều và đưa vào cuộn dây rotor thông qua các vòng trượt, đây là nguồn kích từ chính.

Máy kích từ chính được kéo cùng trục với máy phát và nhận nguồn kích từ từ bộ kích từ nhỏ còn gọi là kích từ phụ, thường là máy phát nam châm vĩnh cửu như hình 1. Hệ thống kích từ một chiều là hệ thống ra đời sớm nhất, các thiết kế mới hiện nay không còn sử dụng nữa và chúng được thay thế bằng hệ thống kích từ xoay chiều. Hệ thống kích từ xoay chiều. Dùng Máy phát điện đồng bộ để kích từ cho máy phát điện gọi là hệ thống kích từ xoay chiều.

Thường máy kích từ được lắp cùng trục với trục turbine máy phát, điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được chỉnh lưu có điều khiển hoặc không có điều khiển để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trường của máy phát. Các thiết kế hiện nay thường gồm một máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh, phần ứng là phần quay, kết hợp với bộ chỉnh lưu quay lắp đặt ngay trên trục. Do đó, dòng điện kích từ sẽ đi trực tiếp từ phần ứng của máy kích từ phụ kích từ cho máy kích từ chính, kích từ chính sẽ kích từ cho máy phát điện thông qua vòng trượt như hình 1.2, hoặc bộ chỉnh lưu quay đặt ở kích từ chính là phần quay sẽ cung cấp dòng kích từ trực tiếp cho cuộn dây rotor máy phát không cần vòng trượt như hình 1.3 đây còn được gọi là hệ thống kích từ không chổi than. Hệ thống kích thích tĩnh.

Hệ thống kích thích tĩnh là loại sử dụng phối hợp biến áp kích từ và bộ chỉnh lưu. Tất cả các phần tử trong hệ thống này đều đứng yên. Các bộ chỉnh lưu tĩnh được điều khiển hoặc không được điều khiển, cung cấp dòng kích từ trực tiếp CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh HVTH: Nguyễn Hữu Lộc Trang 16 cho từ trường máy phát chính nhờ các vòng trượt.

Năng lượng cấp cho bộ chỉnh lưu được lấy từ máy phát chính qua máy biến áp giảm áp xuống cấp thích hợp. Đối với loại máy kích từ có sử dụng Thyristor cho mạch chỉnh lưu gọi là hệ thống kích thích thyristor như hình 1. Hệ thống này có hằng số thời gian rất nhỏ. Điện áp ra cực đại của bộ kích từ phụ thuộc vào điện áp xoay chiều ở ngõ vào.

Vì vậy, khi hệ thống bị sự cố sẽ làm cho điện áp đầu cực máy phát giảm xuống và dẫn đến điện áp đầu ra bộ kích từ có thể giảm theo. Hạn chế này của hệ thống kích từ, được bù bằng đáp ứng gần như tức thời và khả năng thay đổi từ trường cưỡng bức cao. Ngoài ra, nó có thể bảo trì dễ dàng và rẻ tiền. Trần Hoàng Lĩnh HVTH: Nguyễn Hữu Lộc Trang 17 1.

Các thiết bị chính của hệ thống kích từ. Bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR). Bộ điều chỉnh điện áp tự động có các nhiệm vụ sau: CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh HVTH: Nguyễn Hữu Lộc Trang 18 1.

Điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát điện. Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện, và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích từ sao cho sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này.

Điều khiển công suất vô công của máy phát điện. Khi máy phát chưa phát điện vào lưới, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ thay đổi điện áp đầu cực máy phát. Quan hệ giữa điện áp máy phát đối với dòng điện kích từ được biểu diễn bằng 1 đường cong, gọi là đặc tuyến không tải (đặc tuyến V-A). Tuy nhiên khi máy phát điện được nối vào một lưới có công suất rất lớn so với máy phát, việc tăng giảm dòng kích thích hầu như không làm thay đổi điện áp lưới.

Tác dụng của bộ điều áp khi đó không còn là điều khiển điện áp máy phát nữa, mà là điều khiển dòng công suất phản kháng của máy phát. Khi dòng kích từ tăng, công suất vô công tăng, khi dòng kích thích giảm, công suất vô công giảm. Dòng kích thích giảm đến một mức độ nào đó, công suất vô công của máy sẽ giảm xuống 0, và sẽ tăng lại theo chiều ngược lại nếu dòng kích từ tiếp tục giảm thêm. Điều này dẫn đến nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát quá nhạy, có thể dẫn đến sự thay đổi rất lớn công suất vô công của máy phát khi điện áp lưới dao động.

Do đó, bộ điều khiển điện áp tự động, ngoài việc theo dõi và điều khiển điện áp, còn phải theo dõi và điều khiển dòng điện vô công. Thực chất của việc điều khiển này là điều khiển dòng kích từ khi công suất vô công và điện áp lưới có sự thay đổi, sao cho mối liên hệ giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất vô công phải là mối liên hệ hợp lý. Giới hạn tỷ số V/f. Khi khởi động một tổ máy, lúc tốc độ quay của rotor còn thấp, tần số phát ra sẽ thấp.

Khi đó, bộ điều chỉnh điện áp tự động sẽ có khuynh hướng tăng dòng kích thích lên sao cho đủ điện áp đầu ra. Điều này dẫn đến quá kích thích, cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế CBHD: TS. Trần Hoàng Lĩnh HVTH: Nguyễn Hữu Lộc Trang 19 chính, máy biến áp tự dùng. sẽ bị quá kích thích, bão hoà từ, và quá nhiệt.

Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp tham chiếu. Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây. Khi máy phát điện vận hành độc lập, hoặc nối vào lưới bằng một trở kháng lớn. Khi tăng tải, sẽ gây ra sụt áp trên đường dây.

Sụt áp này làm cho điện áp tại hộ tiêu thụ bị giảm theo độ tăng tải, làm giảm chất lượng điện năng. Muốn giảm bớt tác hại này của hệ thống, bộ điều áp phải dự đoán được khả năng sụt giảm của đường dây, và tạo ra điện áp bù trừ cho độ sụt giảm đó. Tác động bù này giúp cho điện áp tại một điểm nào đó, giữa máy phát và hộ tiêu thụ sẽ được ổn định theo tải. Điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm đôi chút so với tải, trong khi điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng đôi chút so với tải.

Để có được tác động này, người ta đưa thêm một tín hiệu dòng điện vào trong mạch đo lường. Dòng điện của một pha (thường là pha B) từ thứ cấp của biến dòng đo lường sẽ được chảy qua một mạch điện R và L, tạo ra các sụt áp tương ứng với sụt áp trên R và L của đường dây từ máy phát đến điểm mà ta muốn giữ ổn định điện áp. Điện áp này được cộng thêm vào (hoặc trừ bớt đi) với điện áp đầu cực máy phát đã đo lường được. Bộ điều áp tự động sẽ căn cứ vào điện áp tổng hợp này mà điều chỉnh dòng kích từ, sao cho điện áp tổng hợp nói trên là không đổi.

Cường hành kích từ khi có sự cố trên lưới.