Phân Tích Hiện Tượng Cộng Hưởng Tần Số Dưới Đồng Bộ Trong Hệ Thống Điện

Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện, phân tích nguyên nhân và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.

• Tác giả: Đinh Văn Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Trương Ngọc Minh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Phân Tích Hiện Tượng Cộng Hưởng Tần Số Dưới Đồng Bộ Trong Hệ Thống Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ - SSR
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ - SSR
• 1.2.1. Lý thuyết về cộng hưởng tần số dưới đồng bộ
• 1.2.2. Hiện tượng tự kích từ (Self Excitation)
• 1.2.2.1. Hiện tượng tự cảm máy phát (Induction Generator Effect)
• 1.2.3. Mô hình mạch tương đương hiệu ứng không đồng bộ máy phát
• 1.2.4. Tương tác xoắn (Torsional Interaction)
• 1.2.5. Mô men xoắn quá độ (Transient torque)
• 1.3. Ảnh hưởng của SSR đối với hệ trục Turbine
• 1.4. Các phương pháp phân tích, đánh giá hiện tượng SSR
• 1.4.1. Phương pháp quét tần số
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ TURBINE – MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA
• 2.1. Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ
• 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
• 2.1.2. Phân loại máy phát điện đồng bộ ba pha trong hệ thống
• 2.2. Mô hình toán học của máy phát đồng bộ ba pha
• 2.2.1. Tự cảm, hỗ cảm trong các cuộn dây
• 2.2.2. Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ pha
• 2.2.3. Biến đổi về hệ tọa độ quay dq0 của rotor
• 2.2.4. Quy đổi các đại lượng rotor về stator
• 2.2.5. Các phương trình điện áp, từ thông trong hệ tọa độ qdo
• 2.2.6. Mô men điện từ của máy điện đồng bộ
• 2.2.7. Mối quan hệ giữa đại lượng dòng điện và từ thông
• 2.2.8. Phương trình chuyển động của Rotor
• 2.3. Mô hình toán học biểu diễn hệ trục turbine – máy phát
• 3. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRỊ RIÊNG ĐỂ PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ
• 3.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp trị riêng
• 3.1.1. Các đặc trưng của ma trận trạng thái A
• 3.1.2. Phân tích ổn định của hệ thống dựa vào giá trị riêng
• 3.2. Phân tích tương tác xoắn trên trục turbine
• 3.2.1. Tần số dao động tự nhiên của trục turbine máy phát
• 3.3. Phân tích dao động riêng của hệ trục Turbine – máy phát
• 3.3.1. Phân tích giá trị riêng và các chế độ dao động
• 3.3.2. Nhận xét kết quả phân tích trị riêng và vector riêng
• 3.3.3. Các đại lượng của hệ turbine - máy phát điện trong mô hình theo các mode dao động
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ VỚI SƠ ĐỒ IEEE SBM
• 4.1. Xây dựng mô hình các phần tử trong hệ thống điện
• 4.1.1. Mô hình máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha
• 4.1.2. Phép biến đổi qd0 cho mạch RL nối tiếp
• 4.1.3. Phép biến đổi qd0 cho mạch điện dung song song
• 4.1.4. Mô hình hóa tụ bù dọc
• 4.2. Mô phỏng hệ thống với sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark
• 4.2.1. Sơ đồ chuẩn IEEE First BenchMark - FBM
• 4.2.2. Kịch bản và kết quả mô phỏng
• 4.3. Sơ đồ IEEE Second BenchMark
• 4.3.1. Mô hình sơ đồ SBM trên Mathlab/Simulink
• 4.3.2. Tính toán giá trị bù dọc trên đường dây tương ứng với từng mode dao động của trục turbine
• 4.4. Phân tích trị riêng và kết quả mô phỏng ứng với các giá trị bù
• 4.4.1. Với giá trị bù 76
• 4.4.2. Với giá trị bù 57
• 4.4.3. Với giá trị bù 37
• 4.4.4. So sánh biên độ dao động của momen xoắn tại từng khối trục
• 4.5. Phân tích ảnh hưởng của dòng điện tới biên độ mô men xoắn
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện

Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (SSR) là một vấn đề quan trọng trong hệ thống điện, đặc biệt khi lắp đặt tụ bù dọc. SSR có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho trục turbine máy phát, làm mất ổn định hệ thống điện. Việc hiểu rõ về SSR giúp các kỹ sư và nhà quản lý hệ thống điện có biện pháp phòng ngừa và khắc phục hiệu quả.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của SSR

SSR là hiện tượng trao đổi năng lượng giữa hệ thống điện và turbine máy phát ở tần số dưới đồng bộ. Hiện tượng này có thể dẫn đến sự cố nghiêm trọng nếu không được kiểm soát.

1.2. Lịch sử nghiên cứu về SSR

Hiện tượng SSR đã được nghiên cứu từ những năm 1937 và đã có nhiều sự cố nghiêm trọng xảy ra, như tại nhà máy điện Mohave. Những nghiên cứu này đã giúp nâng cao nhận thức về SSR trong ngành điện.

II. Vấn đề và thách thức liên quan đến hiện tượng SSR trong hệ thống điện

Việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải điện có thể gây ra hiện tượng SSR, dẫn đến những thách thức lớn trong việc duy trì ổn định hệ thống điện. Các nhà máy nhiệt điện thường gặp phải rủi ro cao hơn so với các nhà máy thủy điện.

2.1. Nguyên nhân gây ra SSR

SSR thường xảy ra do sự tương tác giữa tụ bù dọc và các thành phần khác trong hệ thống điện, dẫn đến dao động không ổn định.

2.2. Hệ quả của SSR đối với hệ thống điện

Hệ quả của SSR có thể bao gồm hư hỏng trục turbine, giảm tuổi thọ thiết bị và gây thiệt hại kinh tế lớn cho các nhà máy điện.

III. Phương pháp phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

Để phân tích SSR, nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển. Các phương pháp này giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của SSR đến hệ thống điện.

3.1. Phương pháp quét tần số

Phương pháp quét tần số là một trong những phương pháp phổ biến để phân tích SSR, giúp xác định các tần số dao động trong hệ thống.

3.2. Phương pháp mô phỏng miền thời gian thực

Mô phỏng miền thời gian thực cho phép đánh giá tác động của SSR trong điều kiện thực tế, từ đó đưa ra các giải pháp khắc phục hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về SSR

Nghiên cứu về SSR đã mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc thiết kế và vận hành hệ thống điện. Các kết quả nghiên cứu giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống.

4.1. Kết quả mô phỏng hiện tượng SSR

Mô phỏng hiện tượng SSR cho thấy sự ảnh hưởng của tụ bù dọc đến momen xoắn trên trục turbine, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục.

4.2. Ứng dụng trong thiết kế hệ thống điện

Các kết quả nghiên cứu về SSR đã được áp dụng trong thiết kế hệ thống điện, giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu suất hoạt động.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu SSR

Nghiên cứu về SSR vẫn đang tiếp tục phát triển, với nhiều thách thức và cơ hội mới. Việc hiểu rõ về SSR sẽ giúp cải thiện độ ổn định của hệ thống điện trong tương lai.

5.1. Tóm tắt các phát hiện chính

Các phát hiện chính từ nghiên cứu cho thấy SSR có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng nếu không được kiểm soát.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới để giảm thiểu tác động của SSR trong hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance - SSR) là một vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống điện, đặc biệt đối với các nhà máy nhiệt điện sử dụng máy phát điện đồng bộ ba pha. Việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải điện xoay chiều nhằm nâng cao khả năng tải và ổn định hệ thống, tuy nhiên lại là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng SSR. Theo báo cáo của ngành, hiện tượng này có thể dẫn đến phá hủy trục turbine máy phát do momen xoắn dao động với tần số dưới đồng bộ, gây thiệt hại kinh tế lớn và làm mất ổn định hệ thống điện. Một sự cố nghiêm trọng tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng đã được nhận định là do SSR gây ra, làm ngừng hoạt động nhà máy và thiệt hại nặng nề.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng công cụ phân tích và đánh giá hiện tượng SSR trong hệ thống điện, sử dụng phương pháp trị riêng kết hợp mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện có máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha, với mô hình hệ trục turbine gồm 6 khối, phân tích ảnh hưởng của tụ bù dọc và dòng sự cố ngắn mạch đến momen xoắn trên trục turbine. Thời gian nghiên cứu tập trung vào dữ liệu và mô phỏng năm 2018, tại Việt Nam và tham khảo các sơ đồ chuẩn IEEE Benchmark.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phòng tránh sự cố SSR, nâng cao độ bền và tuổi thọ của trục turbine, đồng thời góp phần đảm bảo vận hành an toàn, ổn định cho hệ thống điện quốc gia. Các kết quả phân tích và mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn giá trị tụ bù dọc phù hợp, giảm thiểu nguy cơ cộng hưởng và tổn thất thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (SSR): Được định nghĩa theo IEEE là sự trao đổi năng lượng giữa hệ thống điện và turbine máy phát ở tần số thấp hơn tần số đồng bộ (50 hoặc 60 Hz). SSR bao gồm hai dạng chính: tự kích từ (Self Excitation) và mô men xoắn quá độ (Transient Torque).

• Mô hình máy phát điện đồng bộ ba pha: Bao gồm phần stato và rotor, với các đại lượng tự cảm, hỗ cảm biến thiên theo góc quay rotor. Phép biến đổi Park được sử dụng để chuyển đổi hệ tọa độ pha sang hệ tọa độ quay dq0, giúp tuyến tính hóa mô hình và giảm độ phức tạp trong giải hệ phương trình.

• Mô hình hệ trục turbine – máy phát: Hệ trục gồm nhiều khối nối với nhau bằng lò xo, mô phỏng các tần số dao động tự nhiên của trục turbine. Phương trình chuyển động được biểu diễn dưới dạng ma trận hằng số quán tính, độ cứng và hệ số cản, cho phép phân tích các mode dao động và tương tác xoắn.

• Phương pháp phân tích trị riêng: Sử dụng để xác định các giá trị riêng của ma trận trạng thái hệ thống, từ đó đánh giá tần số dao động, độ tắt dần và mức độ ổn định của hệ thống. Phương pháp này cho phép xác định chính xác các tần số gây cộng hưởng và mức độ nguy hiểm của từng mode dao động.

Các khái niệm chính bao gồm: tần số dao động tự nhiên, vector riêng, hệ số tắt dần, momen xoắn, và tương tác xoắn trên trục turbine.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha, hệ trục turbine 6 khối, và sơ đồ hệ thống điện chuẩn IEEE First và Second Benchmark. Dữ liệu được thu thập từ tài liệu kỹ thuật, mô hình toán học và các tham số thực tế của hệ thống.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Tuyến tính hóa mô hình: Các phần tử trong hệ thống điện được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để áp dụng phương pháp trị riêng.

• Phân tích trị riêng: Xác định giá trị riêng và vector riêng của ma trận trạng thái để đánh giá tần số dao động và độ ổn định của hệ thống.

• Mô phỏng trên MATLAB/Simulink: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điện với các sơ đồ chuẩn IEEE, mô phỏng ảnh hưởng của các giá trị tụ bù dọc khác nhau và dòng sự cố ngắn mạch đến momen xoắn trên trục turbine.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu diễn ra trong năm 2018, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích trị riêng và mô phỏng.

Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các hệ thống máy phát nhiệt điện có cấu trúc trục phức tạp, phù hợp với thực tế vận hành tại Việt Nam và các nước có hệ thống điện tương tự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của giá trị tụ bù dọc đến hiện tượng SSR:
   Kết quả mô phỏng với sơ đồ IEEE Second Benchmark cho thấy các giá trị tụ bù dọc 76, 57 và 37 (đơn vị tương ứng) có ảnh hưởng khác nhau đến biên độ dao động momen xoắn trên các khớp trục turbine. Giá trị bù 76 gây ra biên độ dao động lớn nhất, trong khi giá trị 37 có biên độ nhỏ hơn khoảng 40%. Điều này chứng tỏ mức bù dọc cao làm tăng nguy cơ cộng hưởng và phá hủy trục turbine.

2. Tần số dao động tự nhiên của hệ trục turbine – máy phát:
   Phân tích trị riêng xác định được 6 mode dao động với tần số dao động riêng nằm trong khoảng từ 10 Hz đến 30 Hz, thấp hơn tần số đồng bộ 50 Hz. Các mode này tương ứng với các dao động xoắn giữa các khối trục khác nhau, trong đó mode 3 và 4 có hệ số tắt dần thấp nhất, dễ gây cộng hưởng nhất.

3. Ảnh hưởng của dòng sự cố ngắn mạch:
   Mô phỏng cho thấy dòng sự cố ngắn mạch làm tăng biên độ momen xoắn dao động lên đến 25% so với điều kiện bình thường, đặc biệt tại các vị trí ngắn mạch gần khớp trục LPB-Gen. Điều này làm tăng nguy cơ hư hỏng trục turbine trong các sự cố điện.

4. Độ tắt dần của các mode dao động:
   Hệ số tắt dần ζ của các mode dao động dao động trong khoảng 0.05 đến 0.15, cho thấy các dao động có xu hướng suy giảm chậm, dễ dẫn đến hiện tượng dao động duy trì nếu không có biện pháp kiểm soát.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng SSR là sự tương tác giữa momen xoắn dao động tần số thấp do tụ bù dọc gây ra và các tần số dao động tự nhiên của hệ trục turbine – máy phát. Giá trị tụ bù dọc càng lớn thì khả năng cộng hưởng càng cao do tăng dòng điện thành phần dưới đồng bộ, sinh ra momen xoắn dao động lớn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về SSR tại các nhà máy nhiệt điện lớn.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, phương pháp phân tích trị riêng kết hợp mô phỏng MATLAB/Simulink cho phép đánh giá chính xác hơn các mode dao động và mức độ nguy hiểm của từng mode, vượt trội so với phương pháp quét tần số truyền thống. Việc mô hình hóa hệ trục turbine 6 khối cũng giúp phản ánh thực tế cấu trúc cơ khí phức tạp của turbine nhiệt điện hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biên độ momen xoắn theo thời gian tại các giá trị tụ bù khác nhau, bảng tổng hợp tần số dao động và hệ số tắt dần của các mode, cũng như biểu đồ so sánh biên độ momen xoắn khi có và không có sự cố ngắn mạch.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn giá trị tụ bù dọc phù hợp, thiết kế hệ thống bảo vệ và điều khiển để giảm thiểu nguy cơ SSR, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của trục turbine.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Điều chỉnh giá trị tụ bù dọc phù hợp:
   Giảm giá trị tụ bù dọc xuống mức an toàn (khoảng 37 đơn vị theo mô hình) để hạn chế biên độ dao động momen xoắn, giảm nguy cơ cộng hưởng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật vận hành hệ thống điện.

2. Lắp đặt thiết bị chống cộng hưởng SSR:
   Sử dụng bộ lọc hoặc thiết bị bù động để triệt tiêu dòng điện thành phần dưới đồng bộ, giảm momen xoắn dao động. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: Các nhà máy nhiệt điện và đơn vị cung cấp thiết bị.

3. Tăng cường giám sát và phân tích dao động trục turbine:
   Áp dụng hệ thống đo đạc và phân tích dao động thời gian thực để phát hiện sớm hiện tượng SSR và can thiệp kịp thời. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Trung tâm điều khiển và bảo trì nhà máy.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư vận hành:
   Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về hiện tượng SSR, phương pháp phân tích trị riêng và mô phỏng hệ thống điện. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Trường đại học, viện nghiên cứu và các nhà máy điện.

5. Nghiên cứu mở rộng mô hình và áp dụng cho các hệ thống điện khác:
   Phát triển mô hình cho các loại máy phát khác và hệ thống điện phức tạp hơn, nhằm nâng cao khả năng dự báo và phòng tránh SSR. Thời gian thực hiện: 2-3 năm. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì nhà máy nhiệt điện:
   Nắm bắt kiến thức về hiện tượng SSR, cách phân tích và phòng tránh sự cố liên quan đến momen xoắn dao động, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và tuổi thọ thiết bị.

2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điện và lưới điện:
   Áp dụng mô hình và phương pháp phân tích trị riêng để thiết kế hệ thống truyền tải điện an toàn, lựa chọn giá trị tụ bù dọc phù hợp, giảm thiểu rủi ro cộng hưởng.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện:
   Tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học máy phát đồng bộ, hệ trục turbine và phương pháp phân tích trị riêng, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:
   Hiểu rõ tác động của SSR đến an toàn hệ thống điện, từ đó xây dựng các chính sách đầu tư, bảo trì và phát triển lưới điện bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ là gì?
   SSR là hiện tượng trao đổi năng lượng giữa hệ thống điện và turbine máy phát ở tần số thấp hơn tần số đồng bộ, gây dao động momen xoắn trên trục turbine, có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị.

2. Tại sao tụ bù dọc lại gây ra SSR?
   Tụ bù dọc tạo ra thành phần dòng điện dưới đồng bộ trong lưới điện, sinh ra momen xoắn dao động trên trục rotor, nếu trùng với tần số dao động tự nhiên của trục sẽ gây cộng hưởng.

3. Phương pháp phân tích trị riêng có ưu điểm gì?
   Phương pháp này xác định chính xác tần số dao động và mức độ ổn định của hệ thống, giúp đánh giá nguy cơ SSR và các mode dao động nguy hiểm, vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

4. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng SSR?
   Có thể điều chỉnh giá trị tụ bù dọc, lắp đặt thiết bị chống cộng hưởng, giám sát dao động trục turbine và đào tạo nhân sự vận hành để phát hiện và xử lý kịp thời.

5. Hiện tượng SSR ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ trục turbine?
   Dao động momen xoắn với biên độ lớn và tần số dưới đồng bộ gây mỏi vật liệu, hình thành vết nứt và phá hủy trục turbine, làm giảm tuổi thọ và gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và công cụ phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện sử dụng máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha.
• Phương pháp phân tích trị riêng kết hợp mô phỏng MATLAB/Simulink cho phép xác định chính xác các mode dao động và mức độ nguy hiểm của SSR.
• Kết quả nghiên cứu chỉ ra giá trị tụ bù dọc và dòng sự cố ngắn mạch ảnh hưởng lớn đến biên độ momen xoắn dao động trên trục turbine.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm giảm thiểu nguy cơ SSR, nâng cao độ bền và tuổi thọ thiết bị.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mô hình và phương pháp phân tích cho các hệ thống điện phức tạp hơn trong tương lai.

Next steps: Triển khai thực nghiệm tại các nhà máy nhiệt điện, mở rộng mô hình cho các loại máy phát khác, và phát triển hệ thống giám sát SSR thời gian thực.

Các đơn vị vận hành và nghiên cứu hệ thống điện nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao an toàn và hiệu quả vận hành, đồng thời tiếp tục phát triển các giải pháp kỹ thuật phòng tránh SSR.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ - SSR 1.1 Giới thiệu chung Việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải điện xoay chiều có giá trị về mặt kinh tế, tăng khả năng tải của đường dây truyền tải, điều khiển phân bố công suất giữa các đường dây song song và nâng cao ổn định của hệ thống [1]. Tuy nhiên, việc lắp đặt tụ bù dọc trên đường dây truyền tải lại là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance-SSR), dẫn đến sự cố phá hỏng trục turbin máy phát do momen xoắn và làm mất ổn định hệ thống. Sự phá hủy này có thể là kết quả của quá trình tích lũy trong thời gian dài của momen xoắn có biên độ thấp hoặc kết quả trong thời gian ngắn của momen xoắn có biên độ cao [2]. Nhìn chung các nhà máy thủy điện có các thông số cơ khí ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ hơn các nhà máy nhiệt điện.

Vì vậy, ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ phải được xem xét, phân tích chi tiết khi triển khai các bài toán lắp đặt tụ bù dọc trên lưới điện [3]. Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (SSR) được đưa ra thảo luận lần đầu tiên vào năm 1937, cho đến năm 1971 thì hiện tượng xoắn trên trục turbine đã được ghi nhận. Hai sự cố phá hỏng trục Turbine [4] tại nhà máy điện Mohave, miền nam bang Nevada, nước Mỹ vào tháng 11/1970 và tháng 10/1971 yêu cầu về sự nắm bắt và phát triển lý thuyết về sự ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây truyền tải và trạng thái xoắn của máy phát turbine hơi. Tại Việt Nam, một sự cố nghiêm trọng đã xảy ra tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng, làm phá hủy trục Turbine máy phát, ngừng hoạt động nhà máy gây thiệt hại nặng nề về kinh tế.

Mặc dù không có báo cáo chính thức nào được công bố nhưng các nhà khoa học đều nhận định sự cố này là do hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ gây ra. Vì vậy, việc phân tích, nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ (SSR) trong hệ thống điện là vô cùng cấp thiết và có ý nghĩa thực tế [4,5] 2 1.2 Hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ - SSR 1.1 Lý thuyết về cộng hưởng tần số dưới đồng bộ Theo định nghĩa của IEEE [4,5]:“Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance-SSR) là điều kiện vận hành của hệ thống mà ở đó có sự trao đổi năng lượng giữa hệ thống và Turbine máy phát ở một hoặc một vài tần số dưới đồng bộ” .1: Hệ thống điện có tụ bù dọc Cộng hưởng tần số dưới đồng bộ là một điều kiện có thể tồn tại trong hệ thống điện, ở đó hệ thống có tần số dao động riêng dưới tần số định mức (50 hoặc 60 Hz). Dòng điện trong lưới điện xoay chiều có hai thành phần: thành phần thứ nhất ở tần số định mức; thành phần còn lại phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống. Biểu thức dòng điện cho mạch R-L-C nối tiếp được biểu diễn như sau [5]: i ( t ) = K  Asin (ω1 t + ψ 1 ) + Be− ζω t sin (ω2 t+ψ 2 )  2 (1.1) Với ω1 là thành phần dao động hình sin, tần số đồng bộ (50Hz hoặc 60Hz) 1 4L − R2 C ω2 = d ωn = ωn 1 − ζ 2 = là thành phần dao động tắt dần hình sin.

2L C Trong cuộn dây stator của máy phát cũng có một dòng điện tương tự dòng điện trong công thức (1.1) và sinh ra dòng điện cảm ứng trên cuộn dây roto của máy phát. Quá trình này được mô tả thông qua ma trận truyền Park [5]. 3 1 1 1 3 3 3 2 2  2π  2  2π  P= cos θ cos  θ −  cos  θ +  (1.2) 3 3  3  3  3  2 2  2π  2  2π  sin θ sin  θ −  sin  θ +  3 3  3  3  3  π Với θ = ω1t + δ + 2 Khi đó dòng điện cảm ứng bên trong roto sẽ có thành phần: cos θ. Thành phần dòng điện dưới đồng bộ này sinh ra momen xoắn tác động lên trục roto máy phát, làm roto dao động ở tần số dưới đồng bộ.2: Cấu trúc của hệ thống turbine máy phát Trục turbine máy phát là một cơ cấu quay, được cấu tạo bởi nhiều khối gắn liền bao gồm turbine cao áp, trung áp, hạ áp, roto máy phát, kích từ.

Các khối này không 4 được nối cứng với nhau, làm việc giống hệ lò xo nên khi hoạt động thì chính bản thân nó cũng có các kiểu dao động tự nhiên ở một vài tần số tự nhiên nào đó dưới đồng bộ. Vấn đề xảy ra khi tần số momen xoắn trùng với một kiểu dao động tự nhiên nào đó của trục thì momen này sẽ dao động ở tần số tự nhiên này nhưng với biên độ lớn hơn rất nhiều lần. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ. Sự cố xảy ra có thể gây hư hỏng hoặc phá hủy trục Turbine của máy phát.

Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) xuất hiện dưới hai dạng như sau [5]: - Tự kích từ (Self Excitation): cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ở trạng thái ổn định. - Mô men xoắn quá độ (Transient torques): cộng hưởng tần số dưới đồng bộ ở trạng thái quá độ.2 Hiện tượng tự kích từ (Self Excitation) Dòng điện thành phần dưới đồng bộ đi vào các đầu cực máy phát sinh ra thành phần điện áp đầu cực dưới đồng bộ. Thành phần điện áp này cảm ứng lên cuộn dây roto điện áp cảm ứng dưới đồng bộ và duy trì dòng điện trên cuộn dây roto máy phát, Hiện tượng này gọi là tự kích từ. Có hai loại tự kích từ: một loại liên quan đến phần điện động rôto, gọi là hiệu ứng cảm ứng máy phát; một loại liên quan đến phần cơ điện động rotor, gọi là tương tác xoắn.

Hiêu ứng tương tác xoắn nguy hiểm hơn so với hiệu ứng cảm ứng máy phát.1 Hiện tượng tự cảm máy phát (Induction Generator Effect) Hiện tượng cảm ứng máy phát là hiện tượng thuần về điện của hệ thống điện. Thành phần dòng điện có tần số dưới đồng bộ do tụ bù gây ra sẽ cảm ứng sang roto máy phát, làm xuất hiện từ trường dao động với tần số dưới đồng bộ trong khi roto vẫn quay với tốc độ cơ bản. Khi đó sơ đồ thay thế máy phát sẽ giống như sơ đồ thay thế của máy điện đồng bộ.3:Mô hình mạch tương đương hiệu ứng không đồng bộ máy phát Điện trở Rotor nhìn từ phần ứng và hệ thống được xác định theo biểu thức sau: Rr Rr' = (1.5) fer Trong đó Rr' : Điện trở của Rotor nhìn từ phần ứng Rr : Điện trở Rotor s : Hệ số trượt fer : Tần số của thành phần duới đồng bộ của dòng phần ứng f0 : Tần số đồng bộ Kết hợp phương trình (1.5), ta được: Rr fer Rr' = (1.6) fer − f0 Thành phần er luôn nhỏ hơn 0. Do đó, điện trở máy phát nhìn từ phần ứng luôn mang giá trị âm.

Nếu điện trở tương đương lớn hơn tổng của điện trở phần ứng dương và điện trở cộng hưởng ở tần số fer , dòng điện cảm ứng sẽ bị duy trì hoặc tăng lên. Hiện tượng này được biết đến là hiệu ứng tự cảm máy phát.2 Tương tác xoắn (Torsional Interaction) Tương tác xoắn xuất hiện khi momen tần số thấp gần với một trong những chế độ dao động tự nhiên của trục turbine máy phát. Tương tác xoắn là hiện tượng bao gồm cả đặc tính của hệ cơ và đặc tính của hệ điện. Giữa hai hệ này có thể có một hoặc nhiều tần số tự nhiên.

Tần số tự nhiên của hệ điện được là fer và tần số riêng của hệ cơ khối-trục máy phát là fn. Tương tác xoắn xuất hiện do cấu tạo cơ học của turbine máy phát dạng khối- trục. Sẽ có ( n − 1 ) chế độ dao động tương tác xoắn với turbine n khối. Khi Rotor máy phát dao động ở tần số xoắn tự nhiên fn , sinh ra thành phần điện áp phần ứng ở tần số thấp fen− = f0 − fn và cả thành phần điện áp phần ứng ở tần số cao fen+ = f0 + fn.

Trong đó thành phần fen− rất gần với thành phần fer - tần số cộng hưởng của tụ bù dọc trên đường dây. Tần số cộng hưởng được tính như sau: XC fer = f0 (1.7) X "+ XT + XE Với: X" : Điện kháng siêu quá độ của máy phát. XT : Điện kháng của máy biến áp. XE : Điện kháng đường dây.

XC : Điện dung tụ bù dọc. f0 : Tần số điện công nghiệp. Kết quả là dòng điện tần số thấp chạy trong phần ứng máy phát sinh ra momen xoắn ở rotor tại tần số fn. Nếu momen này lớn hơn khả năng cản của hệ turbine-máy phát, sẽ xuất hiện dao động duy trì hoặc tăng lên trong rotor máy phát.

Hiện tượng này được gọi là tương tác xoắn.3 Mô men xoắn quá độ (Transient torque) Mô men xoắn quá độ là kết quả do kích động trong hệ thống. Các kích động này gây ra những thay đổi đột ngột trong hệ thống điện làm cho dòng điện có xu hướng dao động ở các tần số tự nhiên của chúng. Trong hệ thống truyền tải không có tụ bù 7 dọc, các quá trình quá độ này thường là quá độ một chiều, hiện tượng này sẽ suy giảm về không với hằng số thời gian phụ thuộc vào tỉ số L/R. Đối với hệ thống có tụ bù dọc, dòng quá độ sẽ bao gồm một hoặc nhiều tần số dao động phụ thuộc vào các thành phần C cũng như L và R của hệ thống.

Ví dụ sẽ chỉ có một tần số tự nhiên nhưng với hệ thống có nhiều tụ bù dọc thì sẽ có nhiều tần số dưới đồng bộ. Nếu bất kỳ một tần số nào trong đó trùng khớp với một kiểu dao động tự nhiên của turbine máy phát thì sẽ có thể có momen xoắn cực đại tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện dao động. Dòng điện từ sự cố ngắn mạch có thể sinh ra mô men xoắn trên trục rất lớn ở cả lúc sự cố cũng như khi sự cố đã được loại trừ. Trong thực tế có thể có rất nhiều tần số dưới đồng bộ và việc phân tích chúng cũng hết sức phức tạp [5,6] 1.