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.

Call-to-action: 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.