kiỂm nghiỆm ĐẶc tÍnh cÔng suẤt c a mÁy phÁt...

PHÂN BAN B1. Nguồn điện

1

KIỂM NGHIỆM ĐẶC TÍNH CÔNG SUẤT

CỦA MÁY PHÁT SF400-66/16470 NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN SƠN LA

Đỗ Việt Bách

Công ty Thủy điện Sơn La

Tóm tắt: Báo cáo gồm có các nội dung chính:

1. Từ lý thuyết máy điện, phân tích và tính toán để kiểm nghiệm đặc tính công

suất cho máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La, có so sánh với bản vẽ nhà thầu

Alstom cung cấp để đảm bảo nghiên cứu là chính xác.

2. Trên cơ sở đó tác giả đã viết phần mềm “Power characteristic curve 1.1” vẽ

đặc tính công suất máy phát đồng bộ cực lồi, với dữ liệu nhập vào tùy chọn và

khả năng tùy biến cao các đặc tính.

3. “Power characteristic curve 1.1” có tính ứng dụng cao: Giúp tối ưu hóa chế độ

vận hành, tra cứu, đào tạo, khảo sát năng lực điều chỉnh công suất của tất cả

các máy phát trên hệ thống điện với thông số kỹ thuật khác nhau.

1. CÔNG THỨC P - Q TỔNG QUÁT CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN CỰC LỒI

Vì trong máy phát điện cực ẩn khe hở là đều, rotor đối xứng nên điện kháng đồng bộ dọc trục

Xd điện kháng đồng bộ ngang trục Xq, Còn trong máy điện cực lồi khe hởi dọc trục và ngang

trục là khác nhau nên .d qX X

Với máy phát đồng bộ cực lồi: q d d q qU E jI X jI X

Hình 1

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC

2

Từ hình 1 ta thành lập được hệ phương trình P – Q tổng quát của máy phát đồng bộ cực lồi:

2

2 2

1 1sin sin 2 (1)

2( )

1 1 1 1cos cos 2 (2)

2 2

d q d

d q d q d

EU UP

X X XI

EU U UQ

X X X X X

Từ hệ phương trình (I) ta thấy khi d qX X công suất tác dụng, công suất phản kháng của máy

phát cực ẩn chỉ là trường hợp riêng của máy phát cực lồi.

2. KIỂM NGHIỆM ĐẶC TÍNH P - Q MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN SƠN LA BẰNG TÍNH

TOÁN

Với công thức P – Q tổng quát cho máy phát đồng bộ cực lồi (1) ta sẽ vẽ các đường đặc tính

công suất từ thông số của máy phát SF400-66/16470 Nhà máy thủy điện Sơn La ứng với điện áp

đầu cực không đổi Ustato = 1pu.

Thông số máy phát được sử dụng từ tài liệu “HCN SLA 00 MKA ED 00 000_Electrical

calculation_Rev.C” (Generator Electrical Calculation Result) của Alstom.

Thông số chính:

1.074

0.706

d

q

X

X

2.1. Giới hạn quá nhiệt stato

Dòng điện chạy trên thanh dẫn stato sinh ra tổn thất đồng là nguyên nhân làm tăng nhiệt stato

máy phát.

Dễ thấy dòng điện trên thanh dẫn stato được xác định theo công thức:

2 2

3 3

P QSI

U U

Đặc tính P – Q của máy phát được xây dựng với giả thiết điện áp đầu cực luôn không đổi nên

theo công thức trên dòng điện trên thanh dẫn tỉ lệ với công suất biểu kiến S.

Xây dựng đặc tính P – Q trong hệ đơn vị tương đối với P = Q = 1 pu, khi đó giới hạn quá nhiệt

stato được xác định 2 2 1 .dm dm dmS P Q p u → Giới hạn này chính là đường tròn tâm 0 có

bán kính = 1 pu.

Trên trục Q – P vẽ đường tròn bán kính R0 = 1p.u lấy nửa đường tròn là phần P > 0 ta được giới

hạn quá nhiệt stato.


3

2.2. Giới hạn turbine

Theo đặc tính máy phát SF400-66/16470 có thể phát P = 444.44 MW, nhưng máy phát nhận

năng lượng cơ trực tiếp từ turbine nên chịu phụ thuộc vào công suất định mức và hiệu suất của

turbine.

Đường giới hạn công suất turbine đơn giản là đường thẳng song song với trục Q và cắt P tại

P = Pturbine

Công suất định mức của turbine 406.92 MW kết hợp với hiệu suất của turbine là phù hợp với

công suất đặt của máy phát là 400 MW. Vì ta chỉ quan tâm đến đặc tính công suất của máy phát

nên trong báo cáo này sẽ không vẽ đường giới hạn công suất turbine.

2.3. Giới hạn quá nhiệt rotor - quá kích thích

Khi máy phát quá kích thích sẽ dẫn đến cuộn dây rotor sẽ bị quá nhiệt, công suất vô công Q tăng

làm các thiết bị nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp tự dùng... sẽ bị quá

kích thích, b o hòa từ hóa, và gây quá nhiệt.

Chính vì vậy để giới hạn quá nhiệt rotor cần khống chế dòng kích từ nhỏ hơn dòng kích từ tới

hạn (th)f fI I

(th)fI tương ứng với sức điện động ngang trục Emax

Từ phương trình hệ phương trình P Q (I) của máy phát cực lồi:

2

max

2 2

max

1 1sin sin 2

2

1 1 1 1cos cos 2

2 2

d q d

d q d q d

E U UP

X X X

E U U UQ

X X X X X

Emax là giá trị E thỏa mãn tại các giá trị định mức đặt hàng với nhà thầu, với máy phát Nhà máy

thủy điện Sơn La có: Pđm = 400M W & cosφđm = 0.9 (U = const = 1).

Vì điện kháng đồng bộ ngang trục 0.706q

X , nên Emax với máy phát là thủy điện Sơn La

không thể lớn hơn 1 0.706 1 2.42pu

Emax được xác định như sau:

Chia nhỏ giá trị của δ thành các ( ⁄ ) với giá trị n1 đủ nhỏ. Nếu chia thành

1000 giá trị ( )⁄

Dựa theo đặc tính hình V nhà thầu cung cấp chia nhỏ giá trị của E thành các

( ) với giá trị n2 đủ nhỏ. Nếu chia thành 1000 giá trị

⁄


4

Thực hiện 2 vòng lặp với ta có tất cả bước lặp, tại mỗi bước lặp ta tính

được , so sánh với ⁄ √

cùng nhỏ hơn sai số cho phép ta có cần xác định.

Dùng thuật toán trên ta xác định được Emax = 1.7431 pu tương ứng với δ = 0.452 rad (25.90o)

với sai số P & Q cùng nhỏ hơn 0.001 pu (0.4 MW).

Vẽ đồ thị 2 trục Q, P với các giá trị hằng số: Emax = 1.7431, U = 1 ta được giới hạn theo Emax trên

đặc tính P Q.

2.4. Đường ổn định theo lý thuyết

Đường ổn định theo lý thuyết là đường ổn định tính toán của máy phát điện cực lồi theo góc ổn

định giữa rotor máy phát và hệ thống.

Theo lý thuyết ổn định, máy phát ổn định với ⁄ , tại góc ⁄ phải là 1 cực trị của

hàm công suất tác dụng P.

Như vậy lấy đạo hàm của P và gán 0dPd

điểm giới hạn được xác định ở góc tải s là

nghiệm của phương trình 0dPd

Từ (1) của hệ phương trình (I) ta có:

21 1os os2

q

d q d

E UdPc U c

d X X X

s thỏa mãn:

21 1os os2 0

q

s s

d q d

E Uc U c

X X X

Hay:

2 2os2 sin1 1 1 1sin os2 tan

os

q s ss s s

d q d s q d

E U cU U c

X X X c X X

(3)

Thay (3) vào (1) suy ra:

2 2tan sind q

s s s

q d

X XP U

X X

(4)

Thay (3) vào (2) ta có:


5

22 2os

d q

s s

d q d

X X UQ U c

X X X

(5)

Khi 0s

thì 0sP

;

2

s

q

UQ

X

Khi 090s

thì sP ;

2

s

d

UQ

X

Như vậy đường ổn định theo lý thuyết sẽ bắt đầu ở điểm có

2

1.4164s

q

UQ

X và tiệm cận

ra sP tại

2 1 0.9311

1.074s

d

UQ

X

Sử dụng công cụ toán học để vẽ đồ thị hàm số thỏa m n phương trình (4) & (5) ta được đường

đặc tính ổn định theo lý thuyết.

2.5. Giới hạn thiếu kích thích

Khi máy phát thiếu kích thích thì dẫn đến máy phát sẽ nhận công suất Q từ lưới về, lượng Q

càng lớn thì khả năng stator bị quá dòng điện càng nhanh. Khi từ trường giảm đến mức làm cho

máy phát không thể chuyển công suất cơ thành công suất điện được nữa (máy phát bị mất kích

thích) thì máy sẽ bị mất đồng bộ, tốc độ tăng lên nhanh chóng làm cho máy bị vượt tốc. Nếu

máy phát có công suất lớn sẽ gây mất ổn định hệ thống.

Giới hạn thiếu kích thích được cài đặt trong miền công suất tác dụng P thấp & máy phát hút Q

nhỏ hơn một giá trị Qmin khi đó phản ứng phần ứng là trợ từ rất mạnh => dòng kích thích fI

đưa vào rotor rất nhỏ => fE có thể nhỏ hơn ngưỡng tối thiểu AVR cảm nhận để đáp ứng được

làm cho máy phát có thể bị mất kích từ.

Chính vì vậy đầu tiên ta sẽ chuyển đặc tính mất kích từ theo tổng trở lên đặc tính P Q máy phát,

sau đó vẽ đặc tính thiếu kích thích theo dòng kích từ tối thiểu AVR có thể điều khiển.

Tham khảo trang 21/79 tài liệu “HCN SLA 00 0BE FQ 00 101_B UNIT SETTINGS” Alstom

cung cấp về cài đặt bảo vệ mất kích từ máy phát Thủy điện Sơn La.

Với:

'1 0.5 (uns ) 0.5 0.285 0.1425

1 (uns ) 1.074

Xa X d at

Xb Xd at

Ta sẽ chuyển đổi đặc tính mất kích từ trên hệ trục tổng trở (X-R) sang hệ trục công suất (P - Q).


6

Với dmU U ta xác định điểm E1 có tọa độ:

'

1 0

2 21 0.8220

2 1.074 0.2852

P

Q

d d

E

EX X

Ta xác định điểm F1 có tọa độ:

'

1 0

2 21 7.0175

0.285

P

Q

d

F

FX

Vẽ đường tròn có đường kính & lấy trong miền giới hạn nhiệt stato ta có đặc tính thiếu

kích thích.

Trong vùng thiếu kích thích mạch từ là tuyến tính vì vậy hoàn toàn có thể coi mạch từ không

bão hòa hay fI tỉ lệ thuận với E.

Theo thông số máy phát thì: 1 . ( ) 1028 1fp u I A E

Và khi không tải: ( ) 1140fI A

Suy ra quan hệ ( , )fE I :

11401.109

1028fI E E

Như vậy ta sẽ vẽ đặc tính P Q với dòng kích từ Min nhỏ nhất AVR kích từ Nhà máy thủy điện

Sơn La có thể điều khiển = 10% Ikt (đm) hay với 10% 1

1.109 11.09E

Trên matlab vẽ đồ thị P – Q thỏa mãn E = 1/11.09 ta có đồ thị sau:


7

Theo đặc tính trên bảo vệ mất kích từ 40G đảm bảo sẽ trip máy trước khi mất kích từ thật sự,

tức là trước ngưỡng nhỏ nhất AVR có thể cảm nhận và còn điều chỉnh được dòng kích từ

2.6. Công suất từ trở

Đường công suất từ trở là đường đặc tính chỉ trạng thái công suất mà máy phát có thể sản xuất

khi hoàn toàn mất tích từ (E = 0).

Thay E = 0 vào hệ phương trình (I) ta có:

21 1sin 2

2q d

UP

X X

2 21 1 1 1os2

2 2q d q d

U UQ c

X X X X

Sử dụng toán học khảo sát hai hàm P Q trên cho ta đường công suất từ trở của máy phát.

2.7. Ổn định theo thực tế

Trong bản vẽ “HCN SLA 00 MKA ED 00 000_Electrical calculation_Rev.C” do Alstom cung

cấp có đường ổn định theo thực tế.

Đây là đường ổn định khi máy phát SF400-66/16470 nối với hệ thống, ta xem xét ổn định của

máy phát được cộng thêm điện kháng MBA và đường dây, lúc này điện áp U không còn ở đầu

cực máy phát mà được coi là U tại 1 điểm đủ xa trên hệ thống có:

d d ht

q q MBA

X X X

X X X

Vì hệ thống lớn hơn rất nhiều với máy phát, nên ta sẽ mô phỏng với dx , các đường dây

truyền tải công suất không có khe hở dọc trục & ngang trục của dây cuốn trên mạch từ nên ta bỏ

qua điện kháng ngang trục.

Chọn điện kháng ngang trục của hệ thống = điện kháng MBA ta có:

3% 100 %dm

MBA MBA N

dm

IX X U

U

Nên ta chọn:

0.706 0.15 0.856q q MBAX X X

dX chọn đủ lớn đến khi không ảnh hưởng tới đặc tính.

Thay Xd+ , Xq+ vào 2 phương trình của giới hạn ổn định theo lý thuyết:


8

2 2tan sind q

stt s s

q d

X XP U

X X

22 2os

d q

stt s

d q d

X X UQ U c

X X X

Vẽ đồ thị hàm số (Q , )stt sttP ta có đặc tính ổn định theo thực tế.

2.8. Tổng hợp các đặc tính

Tác giả đ sử dụng Matlab để khảo sát các đồ thị toán học trên, sau khi kết hợp các đường đặc

tính, ta được đặc tính P Q của máy NMTĐ Sơn La:

Chuyển sang hệ tọa độ có tên ta có đồ thị sau:


9

Nhận xét:

Các đường giới hạn: Quá nhiệt stato, ổn định theo lý thuyết, công suất từ trở, thiếu kích thích

theo AVR có tọa độ là trùng khớp với bản vẽ đặc tính P – Q Alstom cung cấp qua bản vẽ “HCN

SLA 00 MKA ED 00 000_Electrical calculation_Rev.C”

Giới hạn thiếu kích thích: Tác giả đ xây dựng thêm đặc tính này từ việc chuyển tọa độ X – R

của bảo vệ mất kích từ 40G sang trục tọa độ P – Q, kết quả cho thấy bảo vệ 40G đảm bảo yêu

cầu dừng tổ máy trước khi AVR mất khả năng điều khiển dòng kích từ, như vậy cài đặt 40G là

tin cậy.

Giới hạn Emax Giới hạn quá nhiệt rotor: Được xây dựng từ việc lặp để xác định Emax tại thời

điểm P = Pđm =400 MW & Q = Qđm = 192 MVar sau đó đặc tính P – Q được vẽ với Emax cố

định đó. Tuy nhiên đường này lại có sai khác với giới hạn trên bản vẽ Alstom cung cấp. Trong

thực tế giới hạn quá nhiệt rotor được set với dòng kích từ Ikt ≤ 1.1Ikt (đm), nếu theo thực tế này thì

cách xây dựng đặc tính tác giả chính xác.

Ổn định theo thực tế: Đường này được xây dựng từ giới hạn theo lý thuyết, vì không có thông

số về hệ thống mà Altoms giả định, nên tác giả coi điểm khảo sát có Xq bằng điện kháng MBA

18/500kV & có Xd rất lớn. Giả định này sau khi xây dựng trên đặc tính P – Q có sai số nhỏ so

với bản vẽ của Alstom.

Việc xây dựng các đường đặc tính, đặc biệt là xây dựng chính xác trong vùng thiếu kích thích là

cơ sở chắc chắn cho nghiên cứu cải tiến khả năng hút Q của máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La.

3. PHẦN MỀM: “POWER CHARACTERISTIC CURVE 1.1”

Từ lý thuyết xây dựng ở các phần trên, tác giả đã viết phần mềm “Power characteristic curve

1.1” chạy độc lập trên windows với giao diện đồ họa dễ dàng cho nghiên cứu, đào tạo và vận

hành.

3.1. Giao diện và khả năng sử dụng của “Power characteristic curve 1.1”

Dữ liệu nhập vào tùy chọn: Người dùng nhập từ bàn phím hoặc tích chuột chọn “Default”

chương trình sẽ tự điền thông số của máy phát Nhà máy thủy điện Sơn La.

Cho phép tùy biến các đặc tính: Các đặc tính người dùng có thể thay đổi các thông số cho phù

hợp với mục đích sử dụng như: Thay đổi góc rotor max, thay đổi giá trị điện kháng cộng thêm

cho đặc tính ổn định theo thực tế...

Đồ thị trực quan: Có thể 1 tích chuột vẽ tất cả, hoặc tích vào đặc tính nào chương trình sẽ vẽ

đặc tính đó, màu của đồ thị trùng với màu tên của đặc tính.

Cho phép chuyển giữa đơn vị tương đối và đơn vị có tên: Thuận tiện cho tra cứu vận hành.


10

Công cụ đồ thị mạnh: Vì phần mềm được biên dịch từ matlab nên có được các công cụ mạnh

của matlab trên đồ thị như lấy tọa độ điểm chính xác, phóng to hoặc thu nhỏ, di chuyển đồ thị,

xoay 3D..

Hỗ trợ tính được Eq và δ: Với dữ liệu nhập vào là P, Q, U và sai số cho phép, chương trình hỗ

trợ xác định được Eq và δ. Cho thấy sự xác định đầy đủ thông số xác lập máy phát điện.

3.2. Khả năng ứng dụng của “Power characteristic curve 1.1”

Ứng dụng khi giảm điện áp < 95% điện áp định mức có thể xác định máy phát sẽ ổn định trong

dải P – Q bao nhiêu, đây là cơ sở khoa học chắc chắn cho đề xuất giảm điện áp đầu cực máy

phát Thủy điện Sơn La xuống < 17.1 kV (17.1 kV = 95% USđm(MF TĐSL) ).

Tra cứu trong thực tiễn vận hành: Kiểm tra giá trị P – Q thuộc đặc tính công suất trước khi thay

đổi công suất tổ máy.

Ứng dụng trong đào tạo để hiểu rõ hơn về bản chất của đặc tính công suất máy phát đồng bộ

cực lồi.

Dùng cho công tác đánh giá ảnh hưởng của Xd, Xq đến năng lực điều chỉnh P, Q của tổ máy.

Phục vụ lập thiết kế, lập hồ sơ mời thầu máy phát...

Ví dụ ứng dụng của “Power characteristic curve 1.1”:

Ta sẽ kiểm tra máy phát Thủy điện Sơn La SF400-66/16470 đang bù đồng bộ với P = - 6.5 MW;


11

Q = - 209.8 MVar khi giảm điện áp đầu cực còn U18kV(S) = 16.64 kV

Sử dụng phần mềm “Power characteristic curve 1.1” dễ dàng kiểm tra được điều này:

Chương trình cho thấy với điện áp 16.64 kV máy phát có thể thu Qmax = -312 MVar, với

Q = -209.8 MVar đảm bảo nằm trong vùng đặc tính P – Q. Như vậy tổ máy bù có thể giảm điện

áp xuống 16.64 kV (< 95% điện áp định mức) thu Q để giữ điện áp 500 kV của hệ thống mà vẫn

đảm bảo tổ máy vận hành ổn định.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Máy điện 1 - Vũ Gia Hanh (chủ biên), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

[2] Máy điện 2 - Vũ Gia Hanh (chủ biên), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

[3] Phân tích chế độ xác lập đường dây tải điện và lưới điện - Đỗ Xuân Khôi.

[4] Vận hành nhà máy điện - Trịnh Hùng Thám.

[5] Máy biến áp - Phạm Gia Bình, Lê Văn Doanh, Tôn Long Ngà.


12

[6] Thử nghiệm bảo vệ mất kích từ trên cơ sở phối hợp làm việc với đặc tính máy phát - Lê Kim Hùng, Vũ Hoài Nam.

[7] Underexcitation Protection based on Admittance Measurement - Dr. Hans-Joachim Herrmann

kiỂm nghiỆm ĐẶc tÍnh cÔng suẤt c a mÁy phÁt...

Documents