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

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.

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.