Ảnh hưởng của bánh đà máy phát điện và tính ổn định của hệ thống điều tốc tuabin

Ảnh hưởng của bánh đà máy phát điện và sự ổn định của hệ thống điều tốc tuabin Ảnh hưởng của bánh đà máy phát điện và sự ổn định của hệ thống điều tốc tuabin Ảnh hưởng của bánh đà máy phát điện và sự ổn định của hệ thống điều tốc tuabin Ảnh hưởng của bánh đà máy phát điện và sự ổn định của hệ thống điều tốc tuabin
Các máy phát điện thủy điện hiện đại cỡ lớn có hằng số quán tính nhỏ hơn và có thể gặp vấn đề về độ ổn định của hệ thống điều khiển tuabin. Điều này là do đặc tính của nước trong tuabin, do quán tính của nó mà tạo ra hiện tượng búa nước trong các đường ống chịu áp lực khi các thiết bị điều khiển hoạt động. Hiện tượng này thường được đặc trưng bởi hằng số thời gian gia tốc thủy lực. Trong hoạt động độc lập, khi tần số của toàn hệ thống được xác định bởi bộ điều tốc tuabin, hiện tượng búa nước ảnh hưởng đến việc điều chỉnh tốc độ và sự mất ổn định xuất hiện dưới dạng dao động tần số. Đối với hoạt động kết nối với một hệ thống lớn, tần số về cơ bản được giữ ổn định bởi hệ thống lớn hơn. Khi đó, hiện tượng búa nước ảnh hưởng đến công suất cung cấp cho hệ thống và vấn đề ổn định chỉ phát sinh khi công suất được điều khiển trong vòng kín, tức là trong trường hợp các máy phát điện thủy điện tham gia vào việc điều chỉnh tần số.

Tính ổn định của bộ điều tốc tuabin bị ảnh hưởng rất lớn bởi tỷ lệ giữa hằng số thời gian gia tốc cơ học và hằng số thời gian gia tốc thủy lực của khối nước, cũng như bởi hệ số khuếch đại của bộ điều tốc. Việc giảm tỷ lệ này có tác động gây mất ổn định và đòi hỏi phải giảm hệ số khuếch đại của bộ điều tốc, điều này ảnh hưởng xấu đến việc ổn định tần số. Do đó, cần có hiệu ứng bánh đà tối thiểu cho các bộ phận quay của tổ máy thủy điện, điều này thường chỉ có thể được cung cấp trong máy phát điện. Ngoài ra, hằng số thời gian gia tốc cơ học có thể được giảm bằng cách cung cấp van giảm áp hoặc bể điều áp, v.v., nhưng nhìn chung rất tốn kém. Tiêu chí thực nghiệm cho khả năng điều chỉnh tốc độ của tổ máy thủy điện có thể dựa trên sự tăng tốc độ của tổ máy khi toàn bộ tải định mức của tổ máy hoạt động độc lập bị loại bỏ. Đối với các tổ máy điện hoạt động trong các hệ thống liên kết lớn và cần điều chỉnh tần số hệ thống, chỉ số tăng tốc độ phần trăm được tính toán ở trên được xem xét không vượt quá 45 phần trăm. Đối với các hệ thống nhỏ hơn, cần cung cấp mức tăng tốc độ nhỏ hơn (Tham khảo Chương 4).

Mặt cắt dọc từ cửa lấy nước đến nhà máy điện Dehar.
(Nguồn: Bài báo của tác giả – Hội nghị Thế giới lần thứ 2, Hiệp hội Tài nguyên Nước Quốc tế 1979) Đối với Nhà máy điện Dehar, hệ thống nước áp lực thủy lực nối bể chứa cân bằng với tổ máy phát điện bao gồm cửa lấy nước, đường hầm áp lực, bể điều áp và đường ống dẫn nước được thể hiện trong hình. Giới hạn mức tăng áp suất tối đa trong đường ống dẫn nước ở mức 35%, mức tăng tốc độ tối đa ước tính của tổ máy khi ngừng tải hoàn toàn là khoảng 45% với bộ điều tốc đóng lại.
Thời gian là 9,1 giây ở cột áp định mức 282 m (925 ft) với hiệu ứng bánh đà bình thường của các bộ phận quay của máy phát điện (tức là chỉ xét đến sự tăng nhiệt độ). Trong giai đoạn vận hành đầu tiên, tốc độ tăng được ghi nhận không quá 43 phần trăm. Do đó, người ta cho rằng hiệu ứng bánh đà bình thường là đủ để điều chỉnh tần số của hệ thống.

Thông số máy phát điện và độ ổn định điện
Các thông số máy phát điện ảnh hưởng đến độ ổn định bao gồm hiệu ứng bánh đà, điện kháng quá độ và tỷ số ngắn mạch. Trong giai đoạn đầu phát triển hệ thống điện cao áp 420 kV như ở Dehar, các vấn đề về độ ổn định có thể trở nên nghiêm trọng do hệ thống yếu, mức ngắn mạch thấp, hoạt động ở hệ số công suất dẫn trước và nhu cầu tiết kiệm chi phí trong việc cung cấp các điểm truyền tải cũng như xác định kích thước và thông số của các tổ máy phát điện. Các nghiên cứu sơ bộ về độ ổn định quá độ trên máy phân tích mạng (sử dụng điện áp không đổi phía sau điện kháng quá độ) cho hệ thống điện cao áp Dehar cũng chỉ ra rằng chỉ đạt được độ ổn định hạn chế. Trong giai đoạn đầu thiết kế Nhà máy điện Dehar, người ta đã xem xét việc lựa chọn các máy phát điện có công suất bình thường.
Việc tối ưu hóa các thông số của các yếu tố liên quan khác, đặc biệt là hệ thống kích thích, để đạt được các yêu cầu về ổn định, sẽ là một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí hơn về mặt kinh tế. Trong một nghiên cứu về Hệ thống của Anh, người ta cũng chỉ ra rằng việc thay đổi các thông số máy phát điện có ảnh hưởng tương đối ít đến biên độ ổn định. Theo đó, các thông số máy phát điện thông thường như được nêu trong phụ lục đã được chỉ định cho máy phát điện. Các nghiên cứu chi tiết về độ ổn định đã được thực hiện được trình bày ở đây.

Dung lượng sạc đường dây và độ ổn định điện áp
Các máy phát thủy điện đặt ở vị trí xa dùng để nạp điện cho các đường dây siêu cao áp (EHV) dài không tải, có công suất nạp (kVA) lớn hơn khả năng nạp điện của máy, có thể dẫn đến hiện tượng tự kích thích và điện áp tăng vượt tầm kiểm soát. Điều kiện để xảy ra hiện tượng tự kích thích là xc < xd, trong đó xc là điện kháng tải dung và xd là điện kháng trục thuận đồng bộ. Công suất cần thiết để nạp điện cho một đường dây 420 kV không tải E2/xc đến Panipat (đầu nhận) là khoảng 150 MVAR ở điện áp định mức. Ở giai đoạn thứ hai, khi lắp đặt thêm một đường dây 420 kV có chiều dài tương đương, công suất nạp điện cần thiết để nạp điện đồng thời cho cả hai đường dây không tải ở điện áp định mức sẽ là khoảng 300 MVAR.

Công suất sạc điện lưới khả dụng ở điện áp định mức từ máy phát điện Dehar, theo thông báo của nhà cung cấp thiết bị, như sau:
(i) Có thể sạc đường dây với công suất định mức 70% MVA, tức là 121,8 MVAR với kích thích dương tối thiểu 10%.
(ii) Có thể đạt tới 87% công suất MVA định mức, tức là công suất sạc đường dây 139 MVAR với mức kích thích dương tối thiểu là 1%.
(iii) Công suất sạc đường dây lên tới 100% công suất định mức MVAR, tức là 173,8 MVAR, có thể đạt được với kích thích âm khoảng 5% và công suất sạc đường dây tối đa có thể đạt được với kích thích âm 10% là 110% công suất định mức MVA (191 MVAR) theo BSS.
(iv) Việc tăng thêm công suất sạc đường dây chỉ có thể thực hiện được bằng cách tăng kích thước máy. Trong trường hợp (ii) và (iii), việc điều khiển kích thích bằng tay là không thể và phải hoàn toàn dựa vào hoạt động liên tục của các bộ điều chỉnh điện áp tự động tác động nhanh. Việc tăng kích thước máy để tăng công suất sạc đường dây là không khả thi về mặt kinh tế cũng như không mong muốn. Do đó, xét đến điều kiện vận hành trong giai đoạn vận hành ban đầu, người ta quyết định cung cấp công suất sạc đường dây là 191 MVAR ở điện áp định mức cho các máy phát điện bằng cách cung cấp kích thích âm cho các máy phát điện. Điều kiện vận hành nguy hiểm gây ra sự mất ổn định điện áp cũng có thể do việc ngắt tải ở đầu nhận. Hiện tượng này xảy ra do tải điện dung trên máy, và nó còn bị ảnh hưởng xấu hơn nữa bởi sự tăng tốc độ của máy phát điện. Tự kích thích và mất ổn định điện áp có thể xảy ra nếu...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Trong đó, Xc là điện kháng tải dung, Xq là điện kháng đồng bộ trục vuông góc và n là tốc độ vượt quá tương đối tối đa xảy ra khi giảm tải. Tình trạng này trên máy phát điện Dehar được đề xuất khắc phục bằng cách cung cấp một cuộn cảm shunt EHV 400 kV (75 MVA) được kết nối vĩnh viễn ở đầu nhận của đường dây theo các nghiên cứu chi tiết đã được thực hiện.

Cuộn dây giảm chấn
Chức năng chính của cuộn cảm giảm chấn là khả năng ngăn ngừa quá áp trong trường hợp sự cố ngắn mạch giữa các pha với tải điện dung, do đó giảm ứng suất quá áp lên thiết bị. Xét đến vị trí xa xôi và đường dây truyền tải liên kết dài, người ta quy định sử dụng cuộn cảm giảm chấn được đấu nối hoàn toàn với tỷ lệ điện kháng trục vuông góc và trục trực tiếp Xnq/Xnd không vượt quá 1,2.

Đặc tính máy phát và hệ thống kích thích
Sau khi đã xác định các máy phát điện có đặc tính bình thường và các nghiên cứu sơ bộ cho thấy độ ổn định chỉ ở mức giới hạn, người ta quyết định sử dụng thiết bị kích thích tĩnh tốc độ cao để cải thiện biên độ ổn định nhằm đạt được sự bố trí thiết bị tiết kiệm nhất về tổng thể. Các nghiên cứu chi tiết đã được thực hiện để xác định các đặc tính tối ưu của thiết bị kích thích tĩnh và được thảo luận trong chương 10.

Các yếu tố liên quan đến động đất
Nhà máy thủy điện Dehar nằm trong vùng địa chấn. Các quy định sau đây trong thiết kế máy phát điện thủy điện tại Dehar được đề xuất sau khi tham khảo ý kiến ​​các nhà sản xuất thiết bị, có tính đến điều kiện địa chấn và địa chất tại địa điểm cũng như báo cáo của Ủy ban Chuyên gia về động đất Koyna do Chính phủ Ấn Độ thành lập với sự hỗ trợ của UNESCO.

Độ bền cơ học
Máy phát điện Dehar phải được thiết kế để chịu được an toàn lực gia tốc động đất tối đa theo cả phương thẳng đứng và phương ngang dự kiến ​​tác động vào tâm máy tại Dehar.

Tần số tự nhiên
Tần số tự nhiên của máy phải được giữ ở mức cao hơn nhiều so với tần số từ trường 100 Hz (gấp đôi tần số máy phát điện). Tần số tự nhiên này sẽ cách xa tần số động đất và cần được kiểm tra để đảm bảo biên độ an toàn đầy đủ so với tần số chủ đạo của động đất và tốc độ tới hạn của hệ thống quay.

Giá đỡ stato máy phát điện
Móng của stato máy phát điện và các ổ đỡ lực đẩy và dẫn hướng phía dưới bao gồm một số tấm đế. Các tấm đế này được liên kết với móng theo phương ngang ngoài phương thẳng đứng thông thường bằng các bu lông móng.

Thiết kế ổ đỡ dẫn hướng
Các ổ đỡ dẫn hướng phải thuộc loại phân đoạn và các bộ phận của ổ đỡ dẫn hướng phải được gia cố để chịu được toàn bộ lực động đất. Các nhà sản xuất cũng khuyến nghị liên kết giá đỡ phía trên theo chiều ngang với thùng (vỏ máy phát điện) bằng các dầm thép. Điều này cũng có nghĩa là thùng bê tông cũng phải được gia cố.

Phát hiện rung động của máy phát điện
Việc lắp đặt các thiết bị phát hiện rung động hoặc máy đo độ lệch tâm trên tuabin và máy phát điện được khuyến nghị nhằm mục đích khởi động quá trình dừng máy và phát cảnh báo trong trường hợp rung động do động đất vượt quá giá trị đã được xác định trước. Thiết bị này cũng có thể được sử dụng để phát hiện bất kỳ rung động bất thường nào của một tổ máy do các điều kiện thủy lực ảnh hưởng đến tuabin.

Các tiếp điểm thủy ngân
Rung lắc mạnh do động đất có thể dẫn đến việc kích hoạt sai quá trình tắt máy nếu sử dụng tiếp điểm thủy ngân. Điều này có thể tránh được bằng cách sử dụng công tắc thủy ngân chống rung hoặc, nếu cần thiết, bằng cách thêm rơle hẹn giờ.

Kết luận
(1) Tiết kiệm đáng kể chi phí thiết bị và cấu trúc tại Nhà máy điện Dehar đã đạt được nhờ áp dụng kích thước đơn vị lớn, có tính đến kích thước của lưới điện và ảnh hưởng của nó đến công suất dự phòng của hệ thống.
(2) Chi phí của máy phát điện đã được giảm nhờ áp dụng thiết kế ô dù trong quá trình chế tạo, điều này hiện nay có thể thực hiện được đối với các máy phát điện thủy điện tốc độ cao lớn nhờ sự phát triển của thép cường độ cao dùng cho các lỗ đột vành rôto.
(3) Việc mua sắm máy phát điện có hệ số công suất cao tự nhiên sau khi nghiên cứu chi tiết đã giúp tiết kiệm thêm chi phí.
(4) Hiệu ứng bánh đà bình thường của các bộ phận quay của máy phát điện tại trạm điều chỉnh tần số ở Dehar được coi là đủ để đảm bảo sự ổn định của hệ thống điều tốc tuabin do hệ thống liên kết lớn.
(5) Các thông số đặc biệt của máy phát điện từ xa cung cấp cho mạng EHV để đảm bảo ổn định điện có thể được đáp ứng bằng hệ thống kích thích tĩnh phản hồi nhanh.
(6) Hệ thống kích thích tĩnh tác động nhanh có thể cung cấp biên độ ổn định cần thiết. Tuy nhiên, các hệ thống như vậy yêu cầu tín hiệu phản hồi ổn định để đạt được sự ổn định sau sự cố. Cần tiến hành các nghiên cứu chi tiết.
(7) Tự kích thích và mất ổn định điện áp của máy phát điện từ xa được kết nối với lưới điện bằng đường dây EHV dài có thể được ngăn ngừa bằng cách tăng công suất nạp điện của máy bằng cách sử dụng kích thích âm và/hoặc bằng cách sử dụng cuộn cảm song song EHV được kết nối vĩnh viễn.
(8) Có thể đưa ra các biện pháp bảo vệ chống lại lực địa chấn trong thiết kế máy phát điện và nền móng của nó với chi phí thấp.

Các thông số chính của máy phát điện Dehar
Tỷ lệ ngắn mạch = 1,06
Điện kháng tức thời trục trực tiếp = 0,2
Hiệu ứng bánh đà = 39,5 x 10⁶ lb ft²
Xnq/Xnd không lớn hơn = 1,2