Equation Chapter 2 Section 1LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong đồ án có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo Hải Phòng, tháng 2 năm 2014 Sinh viên: LÂM THANH TÙNG 1 MỤC LỤC 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và đất nước ta đang từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu sử dụng của nước ta tăng trưởng không ngừng trên tất cả mọi vùng miền. Vì vậy sự nhảy vọt về công suất của hệ thống điện lưới quốc gia cũng như nhu cầu cấp thiết về điện ở các vùng hải đảo xa xôi hay các vùng núi cao đã buộc chúng ta phải gấp rút định hướng phát triển thêm các hệ thống phát điện độc lập với nguồn điện có thể là năng lượng tái tạo (năng lượng gió, mặt trời…) kết hợp với tổ hợp diesel lai máy phát điện đồng bộ. Với lý do đó, việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống phát điện độc lập là rất đáng để chúng ta lưu tâm và cũng là một hướng đi rất rõ ràng cho các sinh viên, kỹ sư nghiên cứu tiến hành. Dựa vào những điều trên cụ thể trong đồ án này sẽ nghiên cứu vấn đề “Mô hình hóa và mô phỏng tổ hợp diesel lai máy phát đồng bộ kích thích độc lập sử dụng trong hệ thống phát điện độc lập” dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ths.Phạm Tuấn Anh. Mặc dù đã cố hết sức, đồ án chắc chắn cũng không tránh khỏi còn những thiếu sót. Bản thân sinh viên thực hiện rất mong sẽ nhận được những nhận xét, góp ý, đánh giá và phê bình từ các thầy các cô. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Ths.Phạm Tuấn Anh, thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian làm đồ án để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Đồng thời, cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong bộ môn Điện tự động công nghiệp cũng như Khoa điện – điện tử tàu biển và tất cả các thầy cô giáo công tác trong trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam đã dạy dỗ và chỉ bảo trong suốt 5 năm qua từ những ngày đầu khi mỗi sinh viên bỡ ngỡ bước vào cổng trường đại học. Xin chân thành cám ơn! Hải Phòng, tháng 2 năm 2014 Sinh viên: LÂM THANH TÙNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN 3 ĐỘC LẬP 1.1 Khái niệm về hệ thống điện Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Các phần tử của hệ thống điện được chia thành hai nhóm: - Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện. - Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái Hhệ thống điện như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện… Mỗi phần tử của hệ thống điện được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích…Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của hệ thống điện. Nhiều thông số của hệ thống điện là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số…như là độ từ hoá…trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của hệ thống điện, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định. Ở mức độ rất lớn, ta có hệ thống điện quốc gia. Ở mức độ nhỏ, ta có hệ thống điện riêng của một nhà máy, hay một bệnh viện, một tòa nhà. Hệ thống điện độc lập là một hệ thống điện không có liên hệ với hệ thống điện quốc gia, có công suất trung bình/nhỏ (thường dưới 10 MW), hay gặp ở những khu vực có điều kiện tự nhiên không thuận lợi cho việc kết nối với lưới 4 điện quốc gia như vùng núi cao, hải đảo, sa mạc…hoặc cũng có thể dùng làm nguồn dự phòng cho các nhà máy, xí nghiệp, các dây chuyền sản xuất. Thông thường, hệ thống điện sử dụng nhiều hơn một nguồn năng lượng để sản xuất ra điện năng, ta gọi hệ thống điện như vậy là hệ thống điện hỗn hợp hay hệ thống điện lai. Một ví dụ là hệ thống điện quốc gia. Ở hệ thống đó, ta có những nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử sản xuất điện năng tương ứng từ thủy năng, nhiệt năng và năng lượng từ các phản ứng hạt nhân. Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió, mặt trời, sóng biển,…) trong các hệ thống điện ngày càng được các nước quan tâm phát triển. Hiện nay, ở các hệ thống điện lớn, tỷ lệ điện năng đóng góp bởi các nguồn năng lượng tái tạo là còn rất khiêm tốn và sẽ chỉ tăng chậm trong những năm tới. Trong khi đó, ở các lưới điện độc lập mới, năng lượng tái tạo hiện đã được sử dụng như một nguồn năng lượng chính. Ta sẽ so sánh một số đặc điểm cơ bản của lưới điện lai độc lập sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện quốc gia ở mục tiếp theo. 5 Hình 1.1 Sơ đồ một hệ thống điện lai 1.2 Yêu cầu chung đối với hệ thống điện - Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn. - Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của hệ thống điện. - Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất. - Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện [1]. 1.3 Ổn định hệ thống điện 6 Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của hệ thống điện. P P P P F pt = + ∆ = \* MERGEFORMAT (.) Q Q Q Q F pt = + ∆ = \* MERGEFORMAT (.) Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ: 2 2 2 Q S P = + \* MERGEFORMAT (.) Cho nên các điều kiện cân bằng công suất và không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng. Tuy vậy trong thực tế tính toán và vận hành hệ thống điện một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là: - Sự biến đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng. - Sự biến đổi của công suất phản kháng ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống điện. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất phản kháng. Trong khi vận hành hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất và được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thoả mãn. Các điều kiện cân bằng công suất và và là các cơ sở xuất phát để tính toán các chế độ của hệ thống điện. Từ các điều kiện ấy ta tính được các thông số của chế độ U, I, P, Q… Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và hệ thống điện, quy định các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và công suất phản kháng như sau: 7 - Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép f cpmin ≤ f ≤ f cpmax . - Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của hệ thống điện nằm trong giới hạn cho phép: U cpmin ≤ U ≤ U cpmax Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân bằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng. Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống. Vì ở tất cả các điểm trên hệ thống tần số luôn có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó. Trái lại, sự cân bằng công suất phản kháng mang tính chất cục bộ thừa chỗ này thiếu chỗ khác. Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp không thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống được. Trong hệ thống điện độc lập, máy phát điện là quyết định sự làm việc của toàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng công suất tác dụng trên trục roto của máy phát đóng vai trò quan trọng quyết định chất lượng của hệ thống. Như trên đã nói, sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc tác động lên máy phát và gây ra sự mất cân bằng cơ điện ở đây Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế. Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các kích động từ bên ngoài. Một chế độ thoả mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị thay đổi. Các kích động đối với chế độ hệ thống điện được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn. a) Ổn định tĩnh 8 Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của thiết bị điều chỉnh…Các kích động này tác động lên roto của máy phát, phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động. Chế độ xác lập muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh. Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh: Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế. b) Ổn định động Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…Các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà chế độ xác lập không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ thống điện. Ta có định nghĩa ổn định động: Ổn định động là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn. Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu dài. c) Ổn định tổng quát Khi một chế độ nào đó của hệ thống điện chịu các kích động nhỏ hoặc lớn, nếu hệ thống điện có ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng công suất tác dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ vững. Trong quá trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ 9 cho nên tần số được xem như không thay đổi. Vì vậy đặc trưng quá trình dao động rotor của máy phát khi chưa mất ổn định là tốc độ góc của chúng vẫn giữ giá trị đồng bộ ω = ω 0 chế độ vẫn là chế độ đồng bộ. Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá huỷ, tốc độ góc của rotor bị lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượt s: - 0 0 S ω ω ω = \* MERGEFORMAT (.) Trong đó: + ω – tốc độ góc tức thời của máy phát + ω 0 – tốc độ đồng bộ Khi đó hệ thống điện rơi vào chế độ không đồng bộ, công suất và các thông số khác của chế độ dao động rất mạnh với biên độ lớn. Chế độ không đồng bộ kéo dài sẽ dẫn đến: - Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các máy phát bị cắt khỏi lưới và ngừng làm việc. - Chế độ đồng bộ lại được khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn định tổng quát. Ta có, định nghĩa ổn định tổng quát: Ổn định tổng quát là khả năng của hệ thống điện lập lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động. d) Ổn định điện áp Ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi. Sự biến đổi điện áp này có thể làm cho mất cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ ngừng làm việc. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà chế độ làm việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn định điện áp. Ta có, định nghĩa ổn định điện áp (ổn định phụ tải): Ổn định phụ tải là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại điện áp ban đầu hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải [1]. 10 [...]... bị thiệt hại và già hóa động cơ [3] 2.2 Mô hình máy phát đồng bộ Máy phát điện đồng bộ là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống máy phát điện diesel Việc phân tích và mô hình hóa máy điện đồng bộ đã được nghiên cứu trong suốt thế kỷ 20 Lý thuyết về máy điện đồng bộ được đề cập kỹ lưỡng trong tài liệu [1] Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện công nghiệp, trong đó động cơ sơ cấp... quả ở chế độ ổn định động Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống máy phát điện Diesel Một hệ máy phát điện Diesel thể hiện trên Hình 1.3 bao gồm: - Động cơ Diesel: cung cấp mômen cơ làm quay rotor của máy phát điện đồng bộ - Máy phát điện đồng bộ: từ năng lượng cơ được cung cấp bởi động cơ Diesel và từ trường cung cấp bởi hệ thống kích từ sinh ra điện năng phát lên lưới - Các bộ điều khiển: o Bộ điều khiển tần số: điều... tế và có thể kiểm tra, dự báo được vận hành của hệ thống khi có những sự cố xảy ra Trong phạm vi của đồ án này sẽ tập trung giải quyết vấn đề mô hình hóa tổ hợp Diesel – máy phát điện đồng bộ và mô phỏng cùng với ổn định tốc độ quay của rotor máy phát khi phụ tải luôn thay đổi mỗi lúc một khác nhau, một phần rất quan trọng trong hệ thống điện lai độc lập sao cho sát nhất với thực tế 1.5 Giới thiệu tổ. .. điều khiển tốc độ quay, cũng là điều khiển tần số phát điện thông qua điều khiển mômen cơ mà động cơ Diesel cung cấp o Bộ điều khiển điện áp: điều khiển hệ thống kích từ với nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu ra không đổi và tránh quá tải cho mạch kích từ 13 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA TỔ HỢP DIESEL – MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1 Tổng quan về động cơ Diesel Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt có chức năng biến đổi... So sánh hệ thống điện độc lập và hệ thống điện quốc gia Hình 1.2 Lưới điện quốc gia Các lưới điện độc lập có những tính chất khác biệt so với lưới điện chung của quốc gia Trong phân tích, ta thường coi hệ thống điện quốc gia như một máy điện khổng lồ với công suất vô hạn, tần số và biên độ điện áp của lưới coi như là không đổi Giả thuyết đó dẫn đến việc ảnh hưởng thêm hoặc bớt một máy phát điện với... ở Hình 2.8 2.3.2 Mô hình toán học Hình 2.8 Mạch điện rotor và stator của máy điện đồng bộ Phép biến đổi Park (biến đổi dq0) thường được sử dụng để chuyển các phương trình của máy điện đồng bộ về dạng đơn giản và thuận lợi cho phân tích Liên hệ giữa các đại lượng dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định gắn với stator sang và hệ dq0 gắn với rotor quay với tốc độ đồng bộ (tương tự cho các đại lượng điện. .. động cơ diesel làm động cơ sơ cấp và gọi là máy phát điện diesel Các máy phát điện thường được sử dụng làm việc song song với nhau, nhưng cũng có thể làm việc độc lập ở các lưới điện công suất nhỏ 2.3.1 Mô tả vật lý Máy phát điện đồng bộ ở hình dưới bao gồm: phần cảm (rotor) và phần ứng (stator) Phần cảm gồm 1 cuộn dây kích từ trên rotor Phần ứng hồm 3 cuộn dây ở stator được phân bố lệch nhau 120o trong. .. gian để khi từ trường quay ổn định, các điện áp sinh ra trên chúng sẽ lệch nhau 120o về thời gian 24 Hình 2.7 Sơ đồ mặt cắt máy phát điện đồng bộ ba pha Từ trường trong máy điện đồng bộ là do dòng điện trong các dây quấn stator và rotor sinh ra Khi máy điện làm việc không tải, trong dây quấn ở stator không có dòng điện, từ trường trong máy điện chỉ do dòng điện kích từ một chiều ifd ở rotor sinh ra Khi... áp cần đảm bảo chức năng [4]: - Duy trì điện áp máy phát không đổi Thông thường, khi điện áp máy phát thay đổi, kéo theo đó hệ thống tự động điều chỉnh điện áp sẽ điều chỉnh để thay đổi điện áp kích từ cấp cho máy phát để duy trì điện áp máy phát luôn không đổi - Điều chỉnh công suất phản kháng của các máy chạy song song khi có từ 2 tổ hợp diesel – máy phát đồng bộ trở lên - Hoạt động hiệu quả ở chế... với thực tế 1.5 Giới thiệu tổ hợp Diesel – máy phát điện đồng bộ Một tổ hợp diesel – máy phát điện đồng bộ phải được điều khiển cho chạy ở một tốc độ không đổi để đảm bảo tần số luôn không đổi Động cơ diesel có ưu điểm hoạt động tin cậy và đơn giản, cùng với đó là giá thành đầu từ vừa phải và dễ vận chuyển Mô hình toán của động cơ phải mô tả được tốc độ tiêu thụ nhiên liệu và công suất cơ trên trục động . trong đồ án này sẽ nghiên cứu vấn đề Mô hình hóa và mô phỏng tổ hợp diesel lai máy phát đồng bộ kích thích độc lập sử dụng trong hệ thống phát điện độc lập dưới sự hướng dẫn của thầy giáo. động Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống máy phát điện Diesel Một hệ máy phát điện Diesel thể hiện trên Hình 1.3 bao gồm: - Động cơ Diesel: cung cấp mômen cơ làm quay rotor của máy phát điện đồng bộ. - Máy phát. ra điện năng, ta gọi hệ thống điện như vậy là hệ thống điện hỗn hợp hay hệ thống điện lai. Một ví dụ là hệ thống điện quốc gia. Ở hệ thống đó, ta có những nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện