- 10 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ TURBINE – MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN ĐỒNG BỘ BA PHA. - 11 2.1 Giới thiệu chung về máy phát điện đồng bộ. - 11 2.1.2 Phân loại máy phát điện đồng bộ ba pha trong hệ thống. - 13 2.2 Mô hình toán học của máy phát đồng bộ ba pha. - 28 2.3 Mô hình toán học biểu diễn hệ trục turbine – máy phát. - 39 3.2.1 Tần số dao động tự nhiên của trục turbine máy phát. - 39 3.3 Phân tích dao động riêng của hệ trục Turbine – máy phát. - 48 3.3.3 Các đại lượng của hệ turbine - máy phát điện trong mô hình theo các mode dao động. - 51 4.1.1 Mô hình máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha. - 3 Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống turbine máy phát. - 4 Hình 1.3:Mô hình mạch tương đương hiệu ứng không đồng bộ máy phát. - 9 Hình 2.1: Cấu tạo máy phát điện đồng bộ ba pha. - 12 Hình 2.2: Mô hình mạch Rotor và Stator của máy phát đồng bộ. - 32 Hình 3.1: Các tần số dao động tự nhiên và dạng dao động của trục turbine máy phát điện. - 53 Hình 4.4: Khối phương trình vi phân của máy phát trên trục q. - 54 Hình 4.5: Khối phương trình vi phân của máy phát trên trục d. - 55 Hình 4.6: Khối Rotor máy phát. - 57 Hình 4.9: Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ trên Mathlab. - 74 v Hình 4.25: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 76.3. - 77 Hình 4.27: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 57.21. - 79 Hình 4.29: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 37.02. - 84 Hình 4.37: Dòng điện máy phát tại các vị trí ngắn mạch. - 86 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Ký hiệu các đại lượng cơ bản máy phát đồng bộ. - 16 Bảng 2-2: Hệ thống ký hiệu các thông số của máy phát. - 30 Bảng 3-1: Thông số hệ trục turbine máy phát đồng bộ. - 44 Bảng 3-3: Tần số dao động riêng của khối trục turbine máy phát. - 47 Bảng 3-6: Các đại lượng mode của hệ turbine – máy phát. - 68 Bảng 4-2: Thông số phần điện của hệ 2 máy phát. - 71 Bảng 4-3: Thông số hệ trục Turbine-máy phát cùa 2 máy phát. - 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. - Kết quả tính toán, mô phỏng mô hình đã phân tích ảnh hưởng của tụ bù dọc trên đường dây đối với mô men xoắn trên hệ trục turbine của máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha. - Chương 2: Mô hình hệ turbine - máy phát nhiệt điện đồng bộ ba pha. - Sự cố xảy ra có thể gây hư hỏng hoặc phá hủy trục Turbine của máy phát. - 1.2.2 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. - 1.2.2.1 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. - Khi đó sơ đồ thay thế máy phát sẽ giống như sơ đồ thay thế của máy điện đồng bộ. - Do đó, điện trở máy phát nhìn từ phần ứng luôn mang giá trị âm. - Hiện tượng này được biết đến là hiệu ứng tự cảm máy phát. - 6 1.2.2.2 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. - Tần số tự nhiên của hệ điện được là erf và tần số riêng của hệ cơ khối-trục máy phát là nf. - Tương tác xoắn xuất hiện do cấu tạo cơ học của turbine máy phát dạng khối-trục. - Khi Rotor máy phát dao động ở tần số xoắn tự nhiên nf, sinh ra thành phần điện áp phần ứng ở tần số thấp 0en nf ff. - (1.7) Với: "X : Điện kháng siêu quá độ của máy phát. - Kết quả là dòng điện tần số thấp chạy trong phần ứng máy phát sinh ra momen xoắn ở rotor tại tần số nf . - Trong thực tế có thể có rất nhiều tần số dưới đồng bộ và việc phân tích chúng cũng hết sức phức tạp Ảnh hưởng của SSR đối với hệ trục Turbine Tác động nhiễu của hệ thống gây ra do sự cố trên lưới điện có thể kích thích dao động mô men xoắn trên rotor máy phát. - Vì vậy, phương pháp nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ đòi hỏi phải mô tả đầy đủ mô hình turbine máy phát điện và lưới điện. - Phương pháp này tính toán điện trở, điện kháng tương đương (là hàm của tần số) nhìn vào hệ thống từ cuộn stato của máy phát nào đó. - Phương pháp này rất phù hợp trong việc phân tích momen xoắn quá độ trên trục turbine máy phát điện do hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ gây nên. - 1.3.3 Phương pháp trị riêng Phương pháp này được thực hiện với mô hình turbine máy phát điện và lưới điện được mô tả bằng hệ các phương trình vi phân tuyến tính. - Để áp dụng phương pháp này, thì các phần tử trong hệ thống điện gồm: máy phát điện đồng bộ ba pha, hệ trục turbine – máy phát, và lưới điện cần phải được tuyến tính hóa. - Mô hình toán học biểu diễn hệ turbine – máy phát nhiệt điện sẽ được giới thiệu trong nội dung chương tiếp theo. - Để có thể sử dụng phương pháp trị riêng khi nghiên cứu hiện tượng SSR, việc xây dựng mô hình hệ tuabin - máy phát nhiệt điện đồng bộ là vô cùng quan trọng. - Phần mềm EMTP đã xây dựng một hệ tuabin - máy phát nhiệt điện đồng bộ phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số thấp, nhưng mô hình không chỉ rõ tần số cộng hưởng tương ứng với từng mode dao động. - Một mô hình hệ tuabin - máy phát đơn giản gồm 4 khối cũng đã được xây dựng trong MATHLAB. - Vì vậy, trong chương này, tác giả đi phân tích hệ turbine - máy phát nhiệt điện đồng bộ 3 pha. - Đây là cơ sở lý thuyết quan trọng để xây dựng mô hình máy phát điện và áp dụng phương pháp trị riêng vào nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ SSR. - Hiệu suất và tính kinh tế cao khiến cho máy phát điện đồng bộ công suất lớn được sử dụng rộng rãi [3]. - 2.1.2 Phân loại máy phát điện đồng bộ ba pha trong hệ thống. - Trong hệ thống điện có hai loại máy phát điện công suất lớn là máy phát nhiệt điện và máy phát thủy điện. - Vì vậy, nhìn chung kích thước của máy phát nhiệt điện nhỏ gọn. - Máy phát nhiệt điện có thể chế tạo hàng loạt theo tiêu chuẩn. - Trong vận hành không thể tăng đột ngột công suất của máy phát nhiệt điện. - Do hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ chỉ xảy ra với máy phát có tốc độ quay lớn, rotor - turbine dạng lắp ráp các khối trục nên hiện tượng này chỉ xảy ra với các nhà máy nhiệt điện. - 14 2.2 Mô hình toán học của máy phát đồng bộ ba pha Trong máy phát đồng bộ hai cực, trục dọc d là trục của cực bắc N. - Mô hình mạch của một máy điện đồng bộ như hình vẽ: Hình 2.2: Mô hình mạch Rotor và Stator của máy phát đồng bộ Trong đó. - mechT, là mô 28 men cơ tác động lên máy phát. - (2.53) 2.3 Mô hình toán học biểu diễn hệ trục turbine – máy phát. - Để thuận tiện cho việc xây dựng mô hình toán học của hệ trục turbine máy phát điện, chúng ta sử dụng hệ thống ký hiệu sau đây [5] Bảng 2-2: Hệ thống ký hiệu các thông số của máy phát Ký hiệu Định nghĩa , ,T ,HP IP LPA LPBTT T Momen cơ tương ứng với các bộ phận của turbine (pu) eT Momen xoắn của khe hở không khí máy phát (pu) 0ω Tốc độ định mức (electrical rad/s. - (2.54) Xét toàn bộ hệ trục turbine như hình 2.5: Hình 2.5: Cấu trúc cơ khí của hệ trục turbine 6 khối Các phương trình của hệ turbine – máy phát được tổng kết ở dưới đây: EXC. - Ta có, phương trình chuyển động của hệ thống trục turbine – máy phát với 6 khối trên HDHDHDHDHDHDKKKKK KK KK KK KKθθθθθθωωθθθθθθ. - (2.56) Một cách tổng quát, phương trình chuyển động của hệ thống trục turbine – máy phát với n khối được biểu diễn như sau: 33 02HDKTθθθω. - T: ma trận momen tác động lên từng khối của hệ trục turbine – máy phát. - Các mô hình của lưới điện và máy phát được mô tả bởi một hệ thống các phương trình vi phân tuyến tính. - 3.2 Phân tích tương tác xoắn trên trục turbine 3.2.1 Tần số dao động tự nhiên của trục turbine máy phát Xét mô hình máy phát có hệ turbine n khối, chuyển động quay của hệ turbine được mô tả bởi hệ phương trình (2.57). - Khi hoạt động bình thường, hệ số cản của hệ trục turbine – máy phát điện rất nhỏ. - Vì vậy, để đơn giản cho việc tính toán tần số tự nhiên của hệ trục turbine – máy phát điện, chúng ta sẽ bỏ qua hệ số cản, phương trình (2.57) được viết lại như sau: 02HKTθθω. - (3.14) Ma trận 102HKω− chính là ma trận trạng thái của hệ thống trục turbine – máy phát điện. - Giá trị riêng là bình phương của tần số tự nhiên mω của hệ thống trục turbine - máy phát điện: 21,2,...,minλω. - Thông số mô hình theo các mode của hệ trục turbine - máy phát điện Để mô hình hóa hệ thống trục turbine – máy phát điện khi làm việc trong hệ thống điện, ta phải mô tả đầy đủ các thông số của hệ trục. - (3.16) Thay thế mQθθ= vào phương trình chuyển động của hệ trục turbine – máy phát điện và nhân cả hai vế phương trình cho tQ, ta được phương trình sau: 40. - (3.24) Trong đó: 12,,,nλλ λ: Các giá trị riêng của ma trận trạng thái của hệ trục turbine – máy phát. - Từ hệ phương trình (3.24), dễ thấy dạng dao động của hệ trục turbine – máy phát điện được xây dựng dựa trên ma trận vector riêng bên phải Q của ma trận trạng thái của hệ thống, 102HKω−. - (3.26) Như vậy, ta có momen giữa các khối trục turbine – máy phát điện trong mô hình hệ trục turbine 6 khối như sau. - (3.27) 3.3 Phân tích dao động riêng của hệ trục Turbine – máy phát Trong mục này, áp dụng những công thức được xây dựng trong mục 3.2 vào tính toán, phân tích dao động riêng mô hình trục turbine máy phát đồng bộ cụ thể. - Bỏ qua thành phần cản D và thành phần momen tác động T, phương trình của hệ turbine – máy phát điện được biểu diễn theo biểu thức sau: 1002HKωθθ. - Ma trận 10_2Sys matrix H Kω−=được gọi là ma trận trạng thái của hệ turbine – máy phát điện. - Ma trận hệ thống của hệ trục turbine – máy phát Sys matrix. - 45 Tính toán trị riêng của ma trận trạng thái hệ trục Turbine-máy phát điện Sys_matrix. - Dựa vào việc phân tích trị riêng và vector riêng của hệ turbine-máy phát điện ta có thể có những nhận xét về dao động tự nhiên của hệ turbine máy phát như sau: Mode0: Dao động của toàn bộ khối roto cùng chiều hệ thống. - Đây là trường hợp trục turbine máy phát có tần số dao động riêng trùng với tần số của hệ thống. - 3.3.3 Các đại lượng của hệ turbine - máy phát điện trong mô hình theo các mode dao động. - Phương trình hệ turbine – máy phát điện theo các mode dao động được biểu diễn theo biểu thức sau: 2022mi i mi mi mi mimiTHωθ σθ ω θ. - Cũng ở trong chương 3, tác giả đã xây dựng được mô hình cụ thể chi tiết cho hệ khối trục turbine-máy phát của rotor nhiệt điện dựa trên mô hình máy phát đồng bộ. - 50 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ VỚI SƠ ĐỒ IEEE SBM Để phân tích, đánh giá hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện, ta cần phải xây dựng mô hình trong phần mêm Mathlab/Simulink 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. - (4.9) Từ hệ phương trình tác giả xây dựng khối rotor máy phát trên Mathlab: 55 Hình 4.6: Khối Rotor máy phát Dòng điện qd của dây quấn stator có thể biến đổi ngược về dòng điện pha. - Mô hình FBM bao gồm một tụ bù dọc trên đường dây truyền tải nối với máy phát đồng bộ và một nút vô cùng lớn (Nút HT). - 72 4.3.1 Mô hình sơ đồ SBM trên Mathlab/Simulink Hình 4.23: Sơ đồ IEEE SBM trên Mathlab/Simulink73 Để phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống 2 máy phát làm việc song song (SBM), tác giả tiến hành các quá trình sau. - 4.3.2 Tính toán giá trị bù dọc trên đường dây tương ứng với từng mode dao động của trục turbine Với thông số hệ trục rotor đã cho, áp dụng phương trình trạng thái của hệ trục Turbine-máy phát đã được xây dựng ở mục 3.3 ta có dạng dao động của trục turbine- máy phát ứng với các tần số dao động tự nhiên. - 4.4.1.2 Kết quả mô phỏng trên mô hình Mathlab Hình 4.25: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 76.3% Hình 4.26: Dao động mô men trên các khớp trục Turbine khi bù 76.3% 77 Nhận xét. - 78 4.4.2.2 Kết quả mô phỏng trên mô hình Mathlab Hình 4.27: Điện áp trên tụ, dòng điện máy phát và Momen điện khi bù 57.21% Hình 4.28: Dao động mô men trên các khớp trục Turbine khi bù Biên độ của mô men lớn nhất xuất hiện trên trục kết nối giữa khối LPB-Gen với giá trị 6pu ở 1.2s
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt