Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam tính đến năm 2018 có tổng công suất lắp đặt khoảng 46 GW, trong đó thủy điện chiếm tỷ lệ khoảng 37%, than chiếm 40,6%, tua bin khí 15,4%, dầu FO 2,2% và sinh khối 0,3%. Thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng ổn định cho hệ thống điện quốc gia và thị trường bán buôn điện cạnh tranh. Nhà máy Thủy điện Ka Nak, với công suất lắp đặt 13 MW (2 tổ máy x 6,5 MW), là bậc thang trên của Nhà máy Thủy điện An Khê (160 MW), có vai trò điều tiết nước cho nhà máy An Khê và phát điện vào lưới quốc gia. Tuy nhiên, hệ thống kích từ hiện tại của nhà máy Ka Nak còn tồn tại nhiều hạn chế như thời gian đáp ứng lớn, khả năng ổn định tĩnh kém khi có dao động công suất phản kháng, và tính vận hành chưa ổn định, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành và độ tin cậy của tổ máy.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, đánh giá và nâng cấp hệ thống kích từ của Nhà máy Thủy điện Ka Nak, đặc biệt tập trung vào bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) theo tiêu chuẩn IEEE 421.1, nhằm đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy và kinh tế cho tổ máy. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hệ thống kích từ, thuật toán điều khiển PID, phân tích số liệu cài đặt, mô phỏng bằng phần mềm Matlab và đánh giá tính ổn định của hệ thống trong các kịch bản vận hành thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy, đảm bảo cung cấp nước liên tục cho nhà máy An Khê, đồng thời tăng doanh thu phát điện và góp phần phát triển bền vững của Công ty Thủy điện An Khê - Ka Nak.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động trong kỹ thuật điện, đặc biệt là:

  • Lý thuyết điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Thuật toán điều khiển PID được áp dụng để điều chỉnh dòng kích từ, giúp duy trì điện áp đầu cực máy phát ổn định trong các điều kiện tải khác nhau.
  • Mô hình hệ thống kích từ máy phát điện: Bao gồm các thành phần như máy biến áp kích từ, bộ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng thyristor, mạch kích từ mồi, máy cắt kích từ và các bộ lọc sóng hài AC/DC nhằm nâng cao chất lượng nguồn cấp cho cuộn dây rotor.
  • Tiêu chuẩn IEEE 421.1 (ST4C): Tiêu chuẩn quốc tế về bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) cho máy phát điện, được sử dụng làm cơ sở để đánh giá và nâng cấp hệ thống kích từ tại nhà máy.
  • Các khái niệm chính: Dòng điện kích từ định mức (416 A), điện áp kích từ định mức (142 V), điện áp mồi 220 VDC, giới hạn quá dòng rotor, giới hạn quá áp stator, giới hạn tỉ số điện áp/tần số (V/Hz), và các chức năng bảo vệ như giới hạn dòng rotor, dòng stator, bảo vệ quá nhiệt và bảo vệ mất đồng bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu vận hành thực tế của hệ thống kích từ tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak, bao gồm các thông số dòng điện, điện áp, tần số, công suất phản kháng và các tín hiệu cảnh báo sự cố.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích đặc tính kỹ thuật của hệ thống kích từ hiện tại, đánh giá các giới hạn vận hành và chức năng bảo vệ dựa trên các số liệu đo đạc và tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ thống kích từ với bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1, kiểm tra đáp ứng ổn định tĩnh và động của hệ thống dưới các kịch bản nhiễu loạn điện áp (2%, 5%, 10%, 15%) và thay đổi tải.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, bao gồm giai đoạn khảo sát hiện trạng, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đề xuất giải pháp nâng cấp.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống kích từ của tổ máy H2 tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak, với phương pháp chọn mẫu toàn bộ nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thời gian đáp ứng hệ thống kích từ còn lớn: Qua kiểm tra thực tế, thời gian đáp ứng của hệ thống kích từ khi có lệnh tăng/giảm điện áp đầu cực máy phát dao động trong khoảng 5 giây, làm tăng thời gian hòa lưới, đặc biệt trong giờ cao điểm khi điện áp thấp. Điều này ảnh hưởng đến khả năng vận hành linh hoạt và ổn định của tổ máy.

  2. Khả năng ổn định tĩnh hạn chế khi có dao động công suất phản kháng: Mô phỏng và đo đạc cho thấy công suất phản kháng của tổ máy dao động mạnh khi có biến động tải, với biên độ dao động lên đến 15% so với giá trị đặt, gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và độ bền thiết bị.

  3. Hệ thống AVR hiện tại chỉ có một kênh và một cầu chỉnh lưu: Khi xảy ra lỗi kênh hoặc sự cố cầu chỉnh lưu, tổ máy phải ngừng vận hành, làm giảm tính liên tục và tin cậy của nhà máy. Cạc đo lường DSP3 làm việc không ổn định cũng là nguyên nhân gây ra các sự cố vận hành.

  4. Chức năng bảo vệ và giới hạn chưa tối ưu: Các giới hạn dòng rotor, dòng stator, quá áp stator và tỉ số V/Hz được cài đặt theo các giá trị chuẩn nhưng chưa được điều chỉnh linh hoạt theo điều kiện vận hành thực tế, dẫn đến hiện tượng bảo vệ tác động không cần thiết hoặc không kịp thời.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hạn chế trên là do hệ thống kích từ hiện tại sử dụng công nghệ lạc hậu, thiết bị và tủ bảng điều khiển được chế tạo dựa trên thiết kế tín hiệu tương tự và số của Trung Quốc đã sử dụng lâu năm, không còn sản xuất và khó thay thế. Phần mềm điều khiển không mở, khó kết nối với hệ thống SCADA/EMS hiện đại, gây khó khăn trong việc giám sát và điều khiển từ xa.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc áp dụng bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1 và sử dụng mô hình THYNE500/THYNE600 của ANDRITZ Hydro đã được chứng minh giúp nâng cao độ ổn định và khả năng đáp ứng của hệ thống kích từ. Mô phỏng Matlab cho thấy hệ thống mới có thể giảm biên độ dao động công suất phản kháng xuống dưới 5%, thời gian đáp ứng giảm còn khoảng 1-2 giây, cải thiện đáng kể hiệu quả vận hành.

Việc nâng cấp hệ thống kích từ không chỉ giúp tăng tính ổn định và tin cậy của tổ máy mà còn góp phần đảm bảo cung cấp nước liên tục cho nhà máy Thủy điện An Khê, từ đó nâng cao sản lượng điện và doanh thu cho Công ty Thủy điện An Khê - Ka Nak. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dao động công suất phản kháng trước và sau nâng cấp, bảng so sánh thời gian đáp ứng và tỉ lệ sự cố vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) theo tiêu chuẩn IEEE 421.1: Thay thế bộ AVR hiện tại bằng thiết bị mới có khả năng điều khiển đa kênh, tích hợp bộ lọc sóng hài và chức năng bảo vệ nâng cao. Mục tiêu giảm thời gian đáp ứng xuống dưới 2 giây, tăng độ ổn định điện áp. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do phòng kỹ thuật và nhà thầu chuyên ngành thực hiện.

  2. Cài đặt lại các giới hạn bảo vệ linh hoạt theo điều kiện vận hành thực tế: Điều chỉnh các thông số giới hạn dòng rotor, dòng stator, quá áp stator và tỉ số V/Hz dựa trên số liệu vận hành và mô phỏng để tránh bảo vệ sai và nâng cao tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện 3 tháng, do đội ngũ vận hành và kỹ thuật phối hợp.

  3. Tích hợp hệ thống giám sát và điều khiển từ xa qua SCADA/EMS: Kết nối hệ thống kích từ với hệ thống SCADA hiện đại để giám sát liên tục, phát hiện sự cố kịp thời và điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả quản lý vận hành. Thời gian triển khai 4 tháng, phối hợp với nhà cung cấp phần mềm và phòng công nghệ thông tin.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho nhân viên: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ mới, vận hành hệ thống kích từ nâng cấp và xử lý sự cố nhằm đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả. Thời gian đào tạo 2 tháng, do phòng đào tạo và chuyên gia tư vấn thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì nhà máy thủy điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hệ thống kích từ, giúp kỹ sư hiểu rõ cấu trúc, chức năng và cách thức vận hành, từ đó nâng cao hiệu quả bảo trì và xử lý sự cố.

  2. Chuyên gia thiết kế và nâng cấp hệ thống điện: Các mô hình lý thuyết, phương pháp mô phỏng và đánh giá hệ thống kích từ theo tiêu chuẩn quốc tế là tài liệu tham khảo quý giá cho việc thiết kế và cải tiến hệ thống tương tự.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về vai trò của thủy điện trong hệ thống điện quốc gia, cũng như các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy thủy điện, hỗ trợ trong việc ra quyết định đầu tư và phát triển bền vững.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Luận văn là tài liệu học tập thực tiễn, giúp sinh viên nắm vững kiến thức về điều khiển tự động, hệ thống kích từ và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong kỹ thuật điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống kích từ là gì và tại sao quan trọng trong nhà máy thủy điện?
    Hệ thống kích từ cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây rotor máy phát, tạo ra từ trường cần thiết để phát điện. Nó đảm bảo điện áp đầu cực máy phát ổn định, giúp máy phát vận hành an toàn và hiệu quả.

  2. Bộ điều khiển tự động điện áp (AVR) hoạt động như thế nào?
    AVR tự động điều chỉnh dòng kích từ dựa trên điện áp đầu cực máy phát, giữ điện áp ổn định khi tải thay đổi. Nó sử dụng thuật toán điều khiển PID để phản hồi nhanh và chính xác.

  3. Tại sao cần nâng cấp hệ thống kích từ tại Nhà máy Thủy điện Ka Nak?
    Hệ thống hiện tại sử dụng công nghệ lạc hậu, thời gian đáp ứng chậm, khả năng ổn định kém và thiếu tính dự phòng, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành và độ tin cậy của tổ máy.

  4. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Matlab được dùng để mô phỏng mô hình hệ thống kích từ và bộ AVR, kiểm tra đáp ứng ổn định tĩnh và động dưới các kịch bản nhiễu loạn và thay đổi tải, giúp đánh giá hiệu quả các giải pháp nâng cấp.

  5. Các giải pháp nâng cấp hệ thống kích từ có thể áp dụng cho các nhà máy thủy điện khác không?
    Có, các giải pháp như nâng cấp bộ AVR theo tiêu chuẩn quốc tế, cài đặt giới hạn bảo vệ linh hoạt và tích hợp hệ thống giám sát từ xa có thể áp dụng rộng rãi cho các nhà máy thủy điện nhằm nâng cao hiệu quả vận hành.

Kết luận

  • Hệ thống kích từ hiện tại của Nhà máy Thủy điện Ka Nak còn nhiều hạn chế về thời gian đáp ứng, độ ổn định và tính dự phòng, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành tổ máy.
  • Nghiên cứu đã xây dựng mô hình điều khiển PID và mô phỏng bộ AVR theo tiêu chuẩn IEEE 421.1, chứng minh khả năng nâng cao độ ổn định và giảm dao động công suất phản kháng.
  • Đề xuất nâng cấp bộ AVR, điều chỉnh các giới hạn bảo vệ, tích hợp hệ thống giám sát SCADA và đào tạo nhân viên nhằm đảm bảo vận hành tin cậy, kinh tế và bền vững.
  • Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các nhà máy thủy điện khác nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và phát triển bền vững ngành năng lượng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai nâng cấp thiết bị, kiểm tra hiệu quả vận hành thực tế và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các tổ máy khác trong hệ thống.

Quý độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy thủy điện, góp phần phát triển ngành năng lượng Việt Nam.