Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng cơ điện ở tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng cơ điện ở tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện" nhằm giới thiệu một bức tranh toàn diện của hiện tượng SSR; các mô hình, phương trình mô tả các phần tử của hệ thống điện để nghiên cứu hiện tượng SSR, trình bày kết quả mô phỏng các hệ thống điển hình của IEEE bằng phần mềm mô phỏng ATP / EMTP.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng cơ điện ở tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Đỗ Xuân Bình NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG CƠ ĐIỆN Ở TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Đỗ Xuân Bình NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG CƠ ĐIỆN Ở TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành : Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Lê Đức Tùng Hà Nội – 2014
MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 4 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ 5 DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. 7 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 8 CHƯƠNG 1 HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ ............... 10 1.1 Giới thiệu ........................................................................................... 10 1.2 Vai trò của tụ bù dọc [3] ..................................................................... 10 1.3 Hiện tượng cộng hưởng [1] [6] ........................................................... 12 1.4 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ [1] [6] ..................................... 12 1.4.1 Định nghĩa ................................................................................... 12 1.4.2 Sự nguy hiểm của SSR [1] ........................................................... 13 1.4.3 Thiệt hại kinh tế do sự cố SSR [1] ............................................... 13 1.4.4 Nguyên nhân sự cố SSR [1] ......................................................... 13 1.4.5 Cơ sở lý thuyết của SSR [1] ......................................................... 14 1.5 SSR trong các nhà máy điện [1].......................................................... 15 1.6 Kết luận .............................................................................................. 15 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ ................................................................................................... 17 2.1 Giới thiệu [1] [2] ................................................................................ 17 2.2 Mô hình máy điện quay[1] [2] ............................................................ 18 2.2.1 Từ thông [1] [2] ........................................................................... 19 2.2.2 Điện áp trên cuộn dây [1] [2] ....................................................... 19 2.2.3 Mô hình máy điện không tuyến tính [1] [2] ................................. 20 2.3 Mô hình mạng [1] [2] ......................................................................... 21 2.4 Kết hợp mô hình máy điện và mô hình lưới điện [1] [2] ..................... 22 2.5 Mô hình trục máy phát điện [1] [2] ..................................................... 24 2.5.1 Phương trình chuyển động của rotor [1] [2] ................................. 24 2.5.2 Phương trình chuyển động của B.P [1] [2] ................................... 25 1
2.5.3 Phương trình chuyển động của P.I.B [1] [2] ................................. 26 2.5.4 Phương trình chuyển động của P.I.A [1] [2] ................................ 26 2.5.5 Phương trình chuyển động của H.P [1] [2] ................................... 27 2.5.6 Mô hình phi tuyến mô tả trục máy phát [1] [2] ............................ 27 2.6 Kết luận .............................................................................................. 28 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG SSR BẰNG PHẦN MỀM ATP/EMTP .................................................................................................. 30 3.1 Giới thiệu ........................................................................................... 30 3.2 Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP ...................................................... 30 3.3 Nghiên cứu hệ thống chuẩn thứ nhất “Fist Benchmark” của IEEE[4] [8] ................................................................................................................. 31 3.3.1 Mô hình các phần tử của hệ thống mô phỏng: .............................. 31 3.3.1.1 Máy phát điện xoay chiều G ..................................................... 32 3.3.1.2 Máy biến áp .............................................................................. 35 3.3.1.3 Đường dây truyền tải ................................................................ 37 3.3.1.4 Hệ thống điện ........................................................................... 38 3.3.1.5 Tụ bù dọc .................................................................................. 38 3.3.2 Nghiên cứu hiện tượng SSR......................................................... 38 3.4 Nghiên cứu hệ thống chuẩn thứ hai “Second Benchmark” của IEEE .. 49 3.4.1 Trường hợp X C/XL=0%................................................................ 50 3.4.2 Trường hợp XC/XL=55% ........................................................... 54 3.4.3 Kết luận ...................................................................................... 59 3.5 Các giải pháp loại trừ sự cố SSR ........................................................ 60 3.5.1 Truyền tải điện áp cao [1] ............................................................ 60 3.5.2 Sử dụng TCSC ............................................................................. 61 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................... 64 Phụ lục A: Thông số các phần tử của mô hình second benchmark ............ 65 A.1. Mô hình hai máy phát điện song song ............................................... 65 A.1.1 Mô hình các phần tử của hệ thống: ................................................ 65 A.1.1.1Máy phát điện xoay chiều G ..................................................... 65 A.1.1.2 Máy biến áp ............................................................................. 67 2
A.1.1.2 Đường dây truyền tải năng lượng điện ..................................... 69 A.1.1.3 Hệ thống điện ........................................................................... 70 A.1.1.4 Tụ bù dọc ................................................................................. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 71 3
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không sao chép của ai hay số liệu đã được công bố. Nếu sai với lời cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả Đỗ Xuân Bình 4
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến các giảng viên tại Khoa Điện, bộ môn Hệ thống điện đã giảng dạy tôi trong quá trình học cao học của tôi tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi muốn mở rộng lòng biết ơn đến Tiến sĩ Lê Đức Tùng, thầy hướng dẫn của tôi, người đã giúp tôi cho các nghiên cứu luận văn tốt nghiệp bằng những lời khuyên có giá trị và sự nhiệt tình chỉ bảo của thầy. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của tôi đến mẹ tôi, cha tôi và bạn bè của tôi đã hỗ trợ và khuyến khích tôi trong quá trình nghiên cứu luận văn tốt nghiệp. Do thời gian có hạn, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả kính mong các thầy cô chỉ bảo, mong các đồng nghiệp và bạn bè đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài. Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2014 Đỗ Xuân Bình 5
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT SSR : Cộng hưởng dưới đồng bộ SSR (SubSynchronous Resonance) IEEE : Viện kỹ nghệ điện và điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineer). BPA : Công ty điện lực Bonneville Power Administration 6
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc .......................... 10 Hình 1.2 Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ bù dọc (b) .......................................................................................................... 11 Hình 2.1 Hệ thống tiêu biểu dùng để mô phỏng hiện tượng SSR .................. 17 Hình 2.2 Mô hình máy điện đẳng trị trong hệ tọa độ quay vuông góc gắn với roto ............................................................................................................... 19 Hình 2.3 Mô hình cơ học trục tuabin máy điện ............................................. 24 Hình 3.1 Mô hình fisrt benchmark ................................................................ 31 Hình 3.2 Đầu vào cửa sổ dữ liệu máy phát điện............................................ 34 Hình 3.3 Dữ liệu đầu vào máy biến áp ......................................................... 37 Hình 3.4 Cửa sổ dữ liệu đầu vào của đường dây........................................... 38 Hình 3.5 Mô hình fisrt benchmark thiết lập trong ATP/EMTP ..................... 39 Hình 3.6-1 Dòng IA, IB, IC .......................................................................... 42 Hình 3.6-2Mômen xoắn ............................................................................... 43 Hình 3.7-1 Dòng IA, IB, IC .......................................................................... 45 Hình 3.7-2 Mômen xoắn .............................................................................. 47 Hình 3.7-3 Kết quả mô phỏng khi không có tụ bù, giá trị kháng của đường dây tương đương với (XL-XC) khi bù .......................................................... 48 Hình 3.8 Mô hình second benchmark hai máy phát điện song song .............. 49 Hình 3.9 Mô hình second benchmark hai máy phát điện song song thiết lập trong ATP/EMTP ......................................................................................... 50 Hình 3.10-1 dòng IA, IB, IC ......................................................................... 52 Hình 3.10-2 Mô men xoắn ............................................................................ 54 Hình 3.11-1 Dòng IA, IB, IC ........................................................................ 57 Hình 3.11-2 Mômen xoắn............................................................................. 58 Hình 3.12 Hệ thống truyền tải điện một chiều điển hình ............................... 60 Hình 3.13 Mô hình TCSC(a) Mô hình cơ bản; (b) Mô hình thực tế .............. 61 Hình 3.14 Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở α .......................... 63 Hình A.1 Đầu vào cửa sổ dữ liệu máy phát điện ........................................... 67 Hình A.2 Dữ liệu đầu vào biến áp ................................................................ 69 Hình A.3 Cửa sổ dòng dữ liệu đầu vào ......................................................... 70 7
MỞ ĐẦU Các nhà máy điện thường nằm ở khoảng cách rất xa các thành phố lớn, các khu công nghiệp, những phụ tải lớn. Để truyền tải năng lượng điện từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, người ta thường phải xây dựng đường dây truyền tải điện cao áp. Trên đường dây truyền tải điện thường có sử dụng các tụ bù dọc để tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng cũng như tăng độ dự trữ ổn định động. Trước năm 1970, người ta nghĩ rằng các tụ bù dọc thì không có tác hại cho hệ thống điện. Nhưng trong năm 1970-1971, sau hai sự cố nổi tiếng tại nhà máy nhiệt điện ở miền Tây Hoa Kỳ [4], các nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng các tụ điện bù dọc có thể gây ra dao động cộng hưởng ở tần số tương đối thấp, từ 10 đến 40 Hz. Nguyên nhân gây ra hai sự cố là do sự trùng hợp ngẫu nhiên của tổng tần số tự nhiên phía lưới điện với tần số tự nhiên của bên phía cơ (roto, tuabin) với tần số đồng bộ. Hiện tượng này được gọi là hiện tương cộng hưởng dưới đồng bộ SSR (SubSynchronous Resonance). Nguyên nhân phá hỏng các trục tuabin trong nhà máy điện Mohave được xác định là do hiện tượng này. Hệ thống điện 500KV Việt Nam được đưa vào vận hành vào ngày 27/5/1994 đã mang lại hiệu quả rất lớn trong việc truyền tải và cung cấp điện. Hiện nay lưới điện 500kV có chiều dài đường dây 500kV là 3466km và 10 trạm biến áp với tổng công suất là 6150MVA. Trên các đoạn đường dây 500kV có khoảng cách lớn đều lắp đặt tụ bù dọc ở hai đầu trạm biến áp với mức độ bù là 60%. Công suất truyền tải trên đường dây 500kV luôn ở mức cao, như công suất trên đường dây 500kV Pleiku – Đà Nẵng khoảng 1500MW và trên đường dây 500kV Đà Nẵng – Hà Tĩnh là 1200MW nên điện áp ở các thanh cái 500kV Đà Nẵng, Dốc Sỏi, Hà Tĩnh thường ở mức thấp. Vì vậy trong chế độ vận hành này trạng thái làm việc của tụ bù dọc 500kV ảnh hưởng nhiều đến ổn định điện áp của hệ thống điện. Như vậy có thể thấy việc nghiên cứu và hiểu rõ bản chất của hiện tượng SSR là cực kỳ cần thiết và quan trọng, góp phần đảm bảo an toàn, đảm bảo độ tin cậy trong quá trình vận hành hệ thống điện. Có nhiều phương pháp để nghiên cứu hiện tượng SSR trong hệ thống điện, như phương pháp xác định các giá trị riêng 8
(Eigenvalue analysis), phương pháp quét tần số (frequency scanning analysis) và phương pháp mô phỏng theo miền thời gian (time domain simulation). Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả tập trung vào các phần cụ thể sau: • Nghiên cứu bản chất của hiện tượng SSR từ cơ sở lý thuyết: nguyên nhân và quá trình xuất hiện. • Nghiên cứu mô hình các phần tử trong hệ thống điện, phục vụ cho việc mô phỏng hiện tượng SSR: Mô hình tuabin, máy phát, máy biến áp, đường dây… • Sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiện tượng SSR: Thực hiện mô phỏng hai mô hình chuẩn của IEEE bằng phần mềm ATP/EMTP. Phân tích và đánh giá hiện tượng thông qua các kết quả mô phỏng. Nghiên cứu này được thực hiện dựa vào nghiên cứu của hai tác giả K. G. Prajapati và A. M. Upadhyay trong bài báo “Simulation of IEEE FIRST BANCHMARK Model for SSR Studies”. Bài báo này giới thiệu nghiên cứu hiện tượng SSR bằng các mô phỏng hiện tượng bằng phần mềm Matlab Simulink. Tuy nhiên các tác giả chỉ dừng lại ở việc mô phỏng mô hình “fisrt benchmark”. Trong luận văn này, chúng tôi hướng đến việc đánh giá hiện tượng SSR trên cả hai mô hình “first benchmark” và “second benchmark”. Luận văn bao gồm ba chương: Chương thứ nhất nhằm giới thiệu một bức tranh toàn diện của hiện tượng SSR. Chương thứ hai trình bày các mô hình, phương trình mô tả các phần tử của hệ thống điện để nghiên cứu hiện tượng SSR. Chương thứ ba trình bày kết quả mô phỏng các hệ thống điển hình của IEEE bằng phần mềm mô phỏng ATP / EMTP. Luận văn được kết thúc bằng phần kết luận chung và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo. 9
CHƯƠNG 1 HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ 1.1 Giới thiệu Trong chương này, tác giả trình bày những khái niệm cơ bản về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), lý giải vì sao hiện tượng SSR có thể xuất hiện trong hệ thống điện có các nhà máy nhiệt điện và có tụ bù dọc trên lưới truyền tải. 1.2 Vai trò của tụ bù dọc [3] Tụ bù dọc là thiết bị thường được lắp đặt trên các đường dây truyển tải điện cao áp do nó mang lại nhiều lợi ích. Hình 1.1 trình bày mô hình hệ thống điện đơn giản có tụ bù dọc trên đường dây. xc xL 1 2 U1 U2 Hình 1.1 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi có tụ bù dọc: U1U 2 P sin  (1.1) XL  XC Khi có tụ bù dọc mắc nối tiếp vào đường dây có dung kháng XC thì sẽ làm tăng khả năng tải của đường dây do điện kháng của đường dây giảm xuống. Khi có tụ bù dọc thì UU Pgh Pmax  1 2 (1.2) XL  XC sẽ tăng lên do đó độ dự trữ ổn định tĩnh tăng lên. Khảo sát các đường đặc tính công suất P(δ) như ở hình 1.2. 10
P P Pmax 1 Pmax 1 3 a2 3 a2 PT PT a1 a1 2 2 0 o c max  0 o c max  (a) (b) Hình 1.2 Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ bù dọc (b) Từ (1) nhận thấy rằng khi (XL – XC) giảm thì các đường đặc tính công suất P(δ) khi xảy ra sự cố (2) và sau khi xảy ra sự cố (3) sẽ được nâng cao. Khi 2 đường đặc tính này nâng cao thì diện tích tăng tốc A1 sẽ giảm xuống, còn diện tích hãm tốc A2 sẽ tăng lên. Như vậy độ dự trữ ổn định động sẽ được tăng lên khi đường dây có tụ bù dọc [1, 2]. Tụ bù dọc còn có khả năng bù lại sự giảm áp do điện cảm nối tiếp trên đường dây truyền tải gây ra. Khi tải nhỏ, tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ và tại thời điểm này điện áp bù nối tiếp do tụ bù dọc sinh ra cũng nhỏ (vì công suất phản kháng do tụ bù dọc sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện QC=3I2 XC). Khi tải tăng cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn,công suất phản kháng do tụ bù dọc sinh ra sẽ lớn hơn nên điện áp thanh cái vẫn không bị sụt giảm mạnh. Với các lợi ích trên, tụ bù dọc là một thiết bị quan trọng, thường phải lắp đặt trên các đường dây truyền tải, đặc biệt là ở lưới điện có chiều dài đường dây lớn như Việt Nam. 11
1.3 Hiện tượng cộng hưởng [1] [6] Cộng hưởng là hiện tượng xảy ra trong dao động cưỡng bức, khi một vật dao động được kích thích bởi một ngoại lực tuần hoàn có cùng tần số với dao động riêng của nó. Trong hệ thống điện có hai bộ phận, đó là phần cơ và phần điện:  Phần cơ: Trong các nhà máy điện có các đoạn trục nối giữa các phần tuabin và giữa tuabin với roto máy phát. Mỗi phần trục lại có một tần số dao động riêng. Các tần số đó, được ký hiệu là f m, thường có giá trị từ 10 đến 40 Hz đối với các nhà máy nhiệt điện, và nhỏ hơn 10 Hz với nhà máy thuỷ điện.  Phần điện: Đường dây được truyền tải có tụ bù dọc, đặc trưng bởi tần số điện: Xc fe  fs (1.3) XL  Xts 1 S XC e   S  (1.4) L  Lts C  L L  S  C  ts S XL  Xts Trong đó: fs:Tần số đồng bộ (Với hệ thống điện Việt Nam: fs=50Hz,ωs=2πfs=100rad/s) XC: Tổng trở điện dung tụ XL: Tổng trở điện kháng Xts: Tổng trở của biến áp và stator của máy phát điện Tỷ lệ XC/XL, trong thực tế, nằm trong khoảng từ 50% đến 70%, do đó f e cũng nằm trong khoảng từ 10 đến 40 Hz. Như vậy, hoàn toàn có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng tại các các đoạn trục (phần cơ) do tác động của ngoại lực từ lưới điện (phần điện). 1.4 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ [1] [6] 1.4.1 Định nghĩa Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) xảy ra trên một hệ thống điện có lắp đặt các tụ bù dọc. Sau một tác động (ngắn mạch, đóng cắt tải…) vào hệ 12
thống, SSR xuất hiện bởi một sự trao đổi năng lượng giữa bên điện (tần số f e) và bên cơ (tần số f m của các đoạn trục). SSR chỉ có thể xảy ra nếu: fe = fs-fm hoặc fm = fs -fe (1.5) 1.4.2 Sự nguy hiểm của SSR [1] Khi để xảy ra hiện tượng SSR sẽ gây rất nhiều hậu quả nghiêm trọng. Báo cáo từ việc nghiên cứu hiện tượng SSR xảy ra ở nhà máy điện Mohave chỉ ra: • Thứ nhất, các thiết bị thông thường để kiểm soát và bảo vệ hệ thống có thể không phát hiện cũng như không thể giảm thiểu hiện tượng này. Như tại nhà máy điện Mohave, hệ thống điều khiển tự động đã không phát hiện được sự cố SSR. • Thứ hai, các dao động do SSR rất mạnh nó gây tổn hại nghiêm trọng đến các đoạn trục nối với tuabin máy phát điện. Các phần trục trong hệ thống cơ khí bị gãy và các khớp nối cơ giữa các phần khác nhau của trục cũng bị hư hỏng nặng nề. 1.4.3 Thiệt hại kinh tế do sự cố SSR [1] Các ước tính về thiệt hại do SSR tại nhà máy điện Navajo cho thấy khi xảy ra sự cố nhà máy sẽ bị tê liệt hoàn toàn, thiệt hại về kinh tế khoảng một tỷ đô la trong vòng hai tháng. Ngoài ra, khi không có nhà máy điện cũng phải mất chi phí hơn một triệu đô la một ngày để chạy máy phát điện. Thiệt hại về kinh tế là rất lớn. 1.4.4 Nguyên nhân sự cố SSR [1] Nghiên cứu dựa trên dữ liệu liên quan đến sự cố nhà máy điện Mohave. Các thiết bị ghi lại dòng điện khi xảy ra sự cố được phân tích để xác định tần số điện fe. Mặt khác, tần số f m của các trục đã được tính toán. Bằng cách so sánh giá trị thu được tìm thấy một giá trị f*m thỏa mãn phương trình dạng (1.5): f s = fe+f*m, nên người ta nghi nghờ có hiện tượng cộng hưởng xảy ra trên trục cơ ở tần số f *m. Kiểm tra phần cơ được thực hiện trên một mẫu các trục bị hư hỏng. Mẫu này đã bị xoắn căng tại tần số f *m. Sau một vài giây, một nhiệt lượng lớn được tạo ra trong mẫu; nó đã được chỉ ra rằng dao động của SSR có khả năng gây tổn hại nghiêm trọng đến các đoạn trục nối giữa các phần tuabin và nối giữa tuabin với máy phát trong nhà máy điện. 13
1.4.5 Cơ sở lý thuyết của SSR [1] Lý thuyết về quá trình quá độ có thể cung cấp một lời giải thích rõ ràng hơn về quá trình SSR. Từ trường sinh ra trên cuộn dây stato được tính theo công thức dưới đây: Bf  Bmax Cos( 2 fs t  r) (1.6) Trong đó: r : Góc tương đối so với trục tại t=0. Chúng ta giả thiết rằng có các dao động riêng trên trục của máy phát với tần số riêng fm , r có thể được viết dưới dạng:   Cos(2 f t) (1.7) r max m Do r rất bé, ta có thể coi: S in r   r , Cos r1 Do đó : Bf  Bmax .Cos( 2 fs t). Cos  r Sin(  2  fs t). Sin r Bmax . Cos( 2 fs t) Sin(   fs t). r  2  Bmax . Cos( 2 fs t)  max Sin(  2  fs t). Cos(2 fst) (1.8)  max  Cos( 2 fs t)  2 Sin  2 (fs fm ) t  Bmax .   max Sin 2 ( f f ) t     2 s m   Thành phần từ trường Bf có thành phần tần số (fs – fm), nó sẽ tạo ra điện áp cùng tần số trên stato. Nếu tần số này có giá trị gần với tần số điện fe của hệ thống (phương trình 1.3), sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng điện ở phía hệ thống điện . Bên cạnh đó, thành phần dòng điện tần số f e cũng sinh ra từ trường cùng tần số tác động đến roto và các đoạn trục tuabin. Hệ thống cơ nhận được năng lượng từ hệ thống điện. Khi fm thỏa mãn phương trình 1.5, quá trình trao đổi năng lượng trở thành hiện tượng cộng hưởng, người ta gọi là cộng hưởng ở tần số dưới đồng bộ, viết tắt là SSR (SubSynchronous Resonance). 14
Khi quá trình cộng hưởng xảy ra, cộng thêm các giá trị giảm xóc cơ thấp, dẫn đến hiện tượng khuếch đại đáng kể của mômen xoắn tác động lên trục tuabin. Khi nó vượt quá giới hạn chịu đựng cơ học các đoạn trục sẽ bị phá hủy và hư hỏng. Để nghiên cứu SSR, câu hỏi về sự ổn định hay không ổn định không phải là một vấn đề lớn. Mối quan tâm chính là làm thế nào để biết giá trị lực tác động có thể làm hỏng trục và giảm dần tuổi thọ của nó. 1.5 SSR trong các nhà máy điện [1] Trong phân tích đầu tiên, khi xét các giá trị của tỷ lệ bù thường sử dụng trong thực tế, chúng ta có thể nhận thấy rằng khả năng xảy ra SSR ở nhà máy thủy điện là rất thấp (so với các nhà máy nhiệt điện). Điều này có nghĩa rằng điều kiện xảy ra SSR được xác định bởi phương trình (1.5) ít khi tồn tại với các nhà máy thủy điện. Điều này có thể giải thích đơn giản rằng: trong nhà máy thủy điện chỉ có một tầng tuabin và do đó chỉ có một đoạn trục nối từ tuabin đến máy phát, tần số tự nhiên của đoạn trục này cũng rất thấp (dưới 10Hz). Hiện tượng SSR chỉ có thể xảy ra với tỷ lệ bù rất lớn, vượt quá giới hạn thực tế (khoảng 90%). Đối với các nhà máy nhiệt điện, do có nhiều tầng tuabin nên cũng có nhiều các đoạn trục nối giữa các tầng tuabin với nhau và của tuabin với máy phát. Các đoạn trục này có tần số tự nhiên thường nẳm trong khoảng từ 10Hz đến 40Hz. Với tỷ lệ bù trong thực tế (từ 40% đến 70%), phương trình (1.5) rất dễ thỏa mãn. Do đó hiện tượng SSR cũng thường gặp trong các nhà máy nhiệt điện hơn so với thủy điện. 1.6 Kết luận Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy được vai trò tích cực của tụ bù dọc đối với hệ thống điện. Tuy nhiên, việc lắp đặt tụ bù trong hệ thống điện có các nhà máy nhiệt điện cũng có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng SSR, gây ra tác động tiêu cực đến hệ thống và nhà máy điện nhiệt điện. Như vậy việc sử dụng các tụ bù dọc là cần thiết, nhưng cũng cần các biện pháp để loại trừ hay giảm thiểu sự cố SSR. 15
Để phục vụ cho việc nghiên cứu hiện tượng SSR, chương 2 sẽ trình bày các phương trình toán học mô tả các phần tử trong hệ thống điện (máy phát, máy biến áp, đường dây). 16
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ 2.1 Giới thiệu [1] [2] Các phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ của hệ thống điện có thể được viết dưới dạng hệ phương trình trạng thái: d X  f X, U  (2.1) dt Với: X: Véc tơ các biến trạng thái hệ thống U: Véc tơ các biến hàm điều khiển Dạng phương trình như trên có thể giải một cách hiệu quả bằng phương pháp số thông qua công cụ máy tính hiện đại. Quá trình giải hệ phương trình trên được gọi là quá trình mô phỏng hệ thống; trong khi đó việc thiết lập, xây dựng các phương trình thành phần được gọi là mô hình hóa hệ thống. Hình 2.1 Hệ thống tiêu biểu dùng để mô phỏng hiện tượng SSR 17
Trong chương này, chúng tôi trình bày mô hình của một hệ thống điện điển hình sử dụng phương trình (2.1) ở dạng phi tuyến. Mô hình này kết hợp các phương trình động của máy phát điện, mô men xoắn của các trục tuabin và lưới điện, để phân tích hệ thống trong điều kiện có sự xuất hiện của hiện tượng SSR. Hình 2.1 trình bày hệ thống được tác giả sử dụng để mô hình hóa hiện tượng SSR. Sơ đồ nghiên cứu bao gồm một máy phát điện và đường dây truyền tải có tụ bù dọc; đường dây này kết nối máy phát điện với một nguồn vô cùng lớn - đặc trưng cho hệ thống điện. Phần cơ của hệ thống này là một đoạn trục gồm năm khối. Các phương trình được thiết lập bằng cách sử dụng đơn vị cơ bản cho tất cả các đại lượng, ngoại trừ thời gian T (tính bằng giây), các hằng số quán tính H (tính bằng giây) và tốc độ đồng bộ ωs (rad/s). 2.2 Mô hình máy điện quay[1] [2] Các phương trình động mô tả máy điện quay được kế thừa từ mô hình Gorev-Park, có tính đến sáu cuộn dây: • Hai cuộn dây đặc trưng cho cuộn dây stator và quay cùng vận tốc với roto, cuộn dây dọc trục (d), cuộn dây ngang trục (q). • Ba cuộn dây đại diện cho các cuộn cản, (kd) trên cuộn dây dọc trục (d), còn lại (kq1 và kq2 ) trên cuộn dây ngang trục vuông góc (q). • Một cuộn dây kích từ trên cuộn dây dọc trục d (fd ). Các vị trí trong không gian của các cuộn dây được thể hiện trong hình 2.2. 18