Các dòng sông trong tự nhiên đều có độ dốc nhất định. Nước chảy dọc theo lòng sông dưới tác động của trọng lực. Nước ở độ cao lớn chứa nhiều năng lượng tiềm tàng. Với sự trợ giúp của các công trình thủy lực và thiết bị cơ điện, năng lượng của nước có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện, tức là phát điện thủy điện. Nguyên lý phát điện thủy điện là cảm ứng điện từ của chúng ta, nghĩa là khi một dây dẫn cắt các đường sức từ trong từ trường, nó sẽ tạo ra dòng điện. Trong số đó, sự “chuyển động” của dây dẫn trong từ trường đạt được bằng cách dòng nước tác động vào tuabin để chuyển đổi năng lượng nước thành năng lượng cơ học quay; và từ trường hầu như luôn được hình thành bởi dòng điện kích thích do hệ thống kích thích tạo ra chạy qua cuộn dây rôto máy phát điện, tức là từ tính được tạo ra bởi điện.
1. Hệ thống kích từ là gì? Để thực hiện chuyển đổi năng lượng, máy phát điện đồng bộ cần có từ trường DC và dòng điện DC tạo ra từ trường này được gọi là dòng điện kích từ của máy phát điện. Nhìn chung, quá trình hình thành từ trường trong rôto máy phát điện theo nguyên lý cảm ứng điện từ được gọi là kích từ. Hệ thống kích từ là thiết bị cung cấp dòng điện kích từ cho máy phát điện đồng bộ. Đây là một bộ phận quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Nó thường bao gồm hai bộ phận chính: bộ nguồn kích từ và bộ điều chỉnh kích từ. Bộ nguồn kích từ cung cấp dòng điện kích từ cho rôto máy phát điện đồng bộ và bộ điều chỉnh kích từ điều khiển đầu ra của bộ nguồn kích từ theo tín hiệu đầu vào và tiêu chí điều chỉnh đã cho.
2. Chức năng của hệ thống kích từ Hệ thống kích từ có các chức năng chính sau: (1) Trong điều kiện vận hành bình thường, nó cung cấp dòng điện kích từ cho máy phát điện và điều chỉnh dòng điện kích từ theo quy luật cho trước theo điện áp đầu cực máy phát điện và các điều kiện tải để duy trì sự ổn định điện áp. Tại sao có thể duy trì sự ổn định điện áp bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ? Có một mối quan hệ gần đúng giữa điện thế cảm ứng (tức là điện thế không tải) Ed của cuộn dây stato máy phát điện, điện áp đầu cực Ug, dòng điện tải phản kháng Ir của máy phát điện và điện kháng đồng bộ dọc Xd:
Điện thế cảm ứng Ed tỷ lệ thuận với từ thông, từ thông phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện kích thích. Khi dòng điện kích thích không đổi thì từ thông và điện thế cảm ứng Ed không đổi. Từ công thức trên, có thể thấy điện áp cực của máy phát sẽ giảm khi dòng điện phản kháng tăng. Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu của người sử dụng về chất lượng điện năng, điện áp cực của máy phát về cơ bản phải không đổi. Rõ ràng, cách để đạt được yêu cầu này là điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát khi dòng điện phản kháng Ir thay đổi (tức là tải thay đổi). (2) Theo điều kiện tải, dòng điện kích thích được điều chỉnh theo một quy tắc nhất định để điều chỉnh công suất phản kháng. Tại sao cần phải điều chỉnh công suất phản kháng? Nhiều thiết bị điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, chẳng hạn như máy biến áp, động cơ, máy hàn, v.v. Tất cả đều dựa vào việc thiết lập từ trường xoay chiều để chuyển đổi và truyền năng lượng. Công suất điện cần thiết để thiết lập từ trường xoay chiều và từ thông cảm ứng được gọi là công suất phản kháng. Tất cả các thiết bị điện có cuộn dây điện từ đều tiêu thụ công suất phản kháng để tạo ra từ trường. Nếu không có công suất phản kháng, động cơ sẽ không quay, máy biến áp sẽ không thể biến đổi điện áp và nhiều thiết bị điện sẽ không hoạt động. Do đó, công suất phản kháng không phải là công suất vô dụng. Trong những trường hợp bình thường, thiết bị điện không chỉ lấy công suất hoạt động từ máy phát điện mà còn cần lấy công suất phản kháng từ máy phát điện. Nếu công suất phản kháng trong lưới điện thiếu hụt, thiết bị điện sẽ không có đủ công suất phản kháng để tạo ra từ trường điện từ bình thường. Khi đó, các thiết bị điện này không thể duy trì hoạt động định mức và điện áp đầu cuối của thiết bị điện sẽ giảm xuống, do đó ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị điện. Do đó, cần phải điều chỉnh công suất phản kháng theo tải thực tế và công suất phản kháng đầu ra của máy phát điện có liên quan đến độ lớn của dòng điện kích thích. Nguyên lý cụ thể sẽ không được trình bày ở đây. (3) Khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện hoặc các lý do khác khiến điện áp đầu cuối máy phát điện giảm nghiêm trọng, có thể kích thích máy phát điện cưỡng bức để cải thiện giới hạn ổn định động của hệ thống điện và độ chính xác của hành động bảo vệ rơle. (4) Khi quá áp máy phát điện xảy ra do cắt tải đột ngột và các lý do khác, máy phát điện có thể được khử từ cưỡng bức để hạn chế sự gia tăng quá mức của điện áp cực máy phát điện. (5) Cải thiện sự ổn định tĩnh của hệ thống điện. (6) Khi xảy ra đoản mạch pha-pha bên trong máy phát điện và trên dây dẫn của nó hoặc điện áp cực máy phát điện quá cao, quá trình khử từ được thực hiện nhanh chóng để hạn chế sự mở rộng của sự cố. (7) Công suất phản kháng của các máy phát điện song song có thể được phân bổ hợp lý.
3. Phân loại hệ thống kích từ Theo cách máy phát điện lấy được dòng điện kích từ (tức là phương pháp cung cấp nguồn điện kích từ), hệ thống kích từ có thể chia thành kích từ ngoài và tự kích từ: dòng điện kích từ lấy từ nguồn điện khác gọi là kích từ ngoài; dòng điện kích từ lấy từ chính máy phát điện gọi là tự kích từ. Theo phương pháp chỉnh lưu có thể chia thành kích từ quay và kích từ tĩnh. Hệ thống kích từ tĩnh không có máy kích từ chuyên dụng. Nếu lấy được công suất kích từ chính máy phát điện thì gọi là tự kích từ tĩnh. Tự kích từ tĩnh có thể chia thành tự kích từ song song và tự kích từ ghép.
Phương pháp kích thích thường dùng nhất là kích thích tĩnh song song tự kích thích, như hình dưới đây minh họa. Nó lấy công suất kích thích thông qua máy biến áp chỉnh lưu được kết nối với ổ cắm máy phát điện và cung cấp dòng điện kích thích máy phát điện sau khi chỉnh lưu.
Sơ đồ đấu dây của hệ thống kích từ tĩnh chỉnh lưu tự kích từ song song
Hệ thống kích thích tĩnh tự song song chủ yếu bao gồm các bộ phận sau: máy biến áp kích thích, bộ chỉnh lưu, thiết bị khử từ, bộ điều khiển điều chỉnh và thiết bị bảo vệ quá áp. Năm bộ phận này lần lượt hoàn thành các chức năng sau:
(1) Máy biến áp kích thích: Giảm điện áp ở đầu máy xuống điện áp phù hợp với bộ chỉnh lưu.
(2) Bộ chỉnh lưu: Là thành phần cốt lõi của toàn bộ hệ thống. Mạch cầu ba pha được điều khiển hoàn toàn thường được sử dụng để hoàn thành nhiệm vụ chuyển đổi từ AC sang DC.
(3) Thiết bị khử từ: Thiết bị khử từ gồm hai bộ phận là công tắc khử từ và điện trở khử từ. Thiết bị này có nhiệm vụ khử từ nhanh chóng cho thiết bị khi xảy ra tai nạn.
(4) Bộ điều khiển điều chỉnh: Thiết bị điều khiển hệ thống kích từ thay đổi dòng điện kích từ bằng cách điều khiển góc dẫn của thyristor của thiết bị chỉnh lưu để đạt được hiệu quả điều chỉnh công suất phản kháng và điện áp của máy phát điện.
(5) Bảo vệ quá áp: Khi mạch rôto máy phát điện bị quá áp, mạch được bật để tiêu thụ năng lượng quá áp, giới hạn giá trị quá áp và bảo vệ cuộn dây rôto máy phát điện và các thiết bị được kết nối.
Ưu điểm của hệ thống kích từ tĩnh tự song song là: cấu trúc đơn giản, ít thiết bị, đầu tư thấp và ít bảo trì. Nhược điểm là khi máy phát điện hoặc hệ thống bị ngắn mạch, dòng điện kích từ sẽ biến mất hoặc giảm mạnh, trong khi dòng điện kích từ phải tăng mạnh (tức là kích từ cưỡng bức) tại thời điểm này. Tuy nhiên, xét đến việc các đơn vị lớn hiện đại chủ yếu sử dụng thanh cái kín và lưới điện cao thế thường được trang bị bảo vệ nhanh và độ tin cậy cao, số lượng đơn vị sử dụng phương pháp kích từ này đang tăng lên và đây cũng là phương pháp kích từ được khuyến nghị theo quy định và thông số kỹ thuật. 4. Phanh điện của đơn vị Khi đơn vị không tải và dừng lại, một phần năng lượng cơ học được lưu trữ do quán tính quay rất lớn của rôto. Phần năng lượng này chỉ có thể dừng hoàn toàn sau khi được chuyển thành năng lượng nhiệt ma sát của ổ trục đẩy, ổ trục dẫn hướng và không khí. Vì tổn thất ma sát của không khí tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc tuyến tính của chu vi, nên tốc độ rôto giảm rất nhanh lúc đầu, sau đó sẽ chạy không tải trong thời gian dài ở tốc độ thấp. Khi máy chạy trong thời gian dài ở tốc độ thấp, bạc lót đẩy có thể bị cháy vì màng dầu giữa tấm gương dưới đầu đẩy và bạc lót ổ trục không thể thiết lập được. Vì lý do này, trong quá trình tắt máy, khi tốc độ của máy giảm xuống một giá trị nhất định, hệ thống phanh của máy cần được đưa vào sử dụng. Phanh của máy được chia thành phanh điện, phanh cơ và phanh kết hợp. Phanh điện là để làm ngắn mạch stato máy phát điện ba pha ở đầu ra của máy sau khi máy phát điện được tách rời và khử từ, và đợi tốc độ của máy giảm xuống khoảng 50% đến 60% tốc độ định mức. Thông qua một loạt các hoạt động hợp lý, công suất phanh được cung cấp và bộ điều chỉnh kích thích chuyển sang chế độ phanh điện để thêm dòng điện kích thích vào cuộn dây rôto máy phát điện. Vì máy phát điện đang quay, stato tạo ra dòng điện ngắn mạch dưới tác động của từ trường rôto. Mô-men xoắn điện từ được tạo ra ngược với hướng quán tính của rôto, đóng vai trò phanh. Trong quá trình thực hiện phanh điện, nguồn điện phanh cần được cung cấp bên ngoài, có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc mạch chính của hệ thống kích thích. Các cách khác nhau để có được nguồn điện kích thích phanh điện được thể hiện trong hình dưới đây.
Nhiều cách khác nhau để có được nguồn điện kích thích phanh điện
Theo cách thứ nhất, thiết bị kích thích là phương pháp đấu dây kích thích tự song song. Khi đầu máy bị ngắn mạch, máy biến áp kích thích không có nguồn điện. Nguồn điện phanh đến từ máy biến áp phanh chuyên dụng và máy biến áp phanh được kết nối với nguồn điện của nhà máy. Như đã đề cập ở trên, hầu hết các dự án thủy điện đều sử dụng hệ thống kích thích chỉnh lưu tĩnh tự song song và sử dụng cầu chỉnh lưu cho hệ thống kích thích và hệ thống phanh điện sẽ tiết kiệm hơn. Do đó, phương pháp này để có được nguồn điện kích thích phanh điện phổ biến hơn. Quy trình phanh điện của phương pháp này như sau:
(1) Bộ ngắt mạch ổ cắm của thiết bị được mở và hệ thống được ngắt kết nối.
(2) Cuộn dây rôto được khử từ.
(3) Công tắc nguồn ở phía thứ cấp của máy biến áp kích thích được mở.
(4) Công tắc ngắn mạch phanh điện của thiết bị đóng.
(5) Công tắc nguồn ở phía thứ cấp của máy biến áp phanh điện đang đóng.
(6) Thyristor cầu chỉnh lưu được kích hoạt để dẫn điện và thiết bị chuyển sang trạng thái phanh điện.
(7) Khi tốc độ của tổ máy bằng không, phanh điện được nhả (nếu sử dụng phanh kết hợp, khi tốc độ đạt 5% đến 10% tốc độ định mức, phanh cơ được áp dụng). 5. Hệ thống kích từ thông minh Nhà máy thủy điện thông minh là nhà máy thủy điện hoặc nhóm trạm thủy điện có số hóa thông tin, mạng lưới truyền thông, chuẩn hóa tích hợp, tương tác kinh doanh, tối ưu hóa vận hành và ra quyết định thông minh. Nhà máy thủy điện thông minh được chia theo chiều dọc thành lớp quy trình, lớp đơn vị và lớp điều khiển trạm, sử dụng cấu trúc mạng 3 lớp 2 lớp của mạng lớp quy trình (mạng GOOSE, mạng SV) và mạng lớp điều khiển trạm (mạng MMS). Nhà máy thủy điện thông minh cần được hỗ trợ bởi thiết bị thông minh. Là hệ thống điều khiển cốt lõi của tổ máy phát điện tuabin thủy điện, sự phát triển công nghệ của hệ thống kích từ đóng vai trò hỗ trợ quan trọng trong việc xây dựng nhà máy thủy điện thông minh.
Trong các nhà máy thủy điện thông minh, ngoài việc hoàn thành các nhiệm vụ cơ bản như khởi động và dừng tổ máy phát điện tua bin, tăng và giảm công suất phản kháng và dừng khẩn cấp, hệ thống kích từ còn phải có thể đáp ứng được các chức năng mô hình hóa dữ liệu và truyền thông IEC61850, và hỗ trợ truyền thông với mạng lớp điều khiển trạm (mạng MMS) và mạng lớp quy trình (mạng GOOSE và mạng SV). Thiết bị hệ thống kích từ được bố trí ở lớp đơn vị của cấu trúc hệ thống trạm thủy điện thông minh, và đơn vị hợp nhất, thiết bị đầu cuối thông minh, đơn vị điều khiển phụ trợ và các thiết bị hoặc thiết bị thông minh khác được bố trí ở lớp quy trình. Cấu trúc hệ thống được thể hiện trong hình dưới đây.
Hệ thống kích thích thông minh
Máy chủ của lớp điều khiển trạm của nhà máy thủy điện thông minh đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn truyền thông IEC61850 và gửi tín hiệu của hệ thống kích từ đến máy chủ của hệ thống giám sát thông qua mạng MMS. Hệ thống kích từ thông minh phải có thể kết nối với mạng GOOSE và các công tắc mạng SV để thu thập dữ liệu tại lớp quy trình. Lớp quy trình yêu cầu dữ liệu đầu ra của CT, PT và các thành phần cục bộ đều ở dạng kỹ thuật số. CT và PT được kết nối với đơn vị hợp nhất (biến áp điện tử được kết nối bằng cáp quang và biến áp điện từ được kết nối bằng cáp). Sau khi dữ liệu dòng điện và điện áp được số hóa, chúng được kết nối với công tắc mạng SV thông qua cáp quang. Các thành phần cục bộ được yêu cầu kết nối với thiết bị đầu cuối thông minh thông qua cáp và công tắc hoặc tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số và truyền đến công tắc mạng GOOSE thông qua cáp quang. Hiện tại, hệ thống kích từ về cơ bản có chức năng giao tiếp với mạng MMS lớp điều khiển trạm và mạng GOOSE/SV lớp quy trình. Ngoài việc đáp ứng tương tác thông tin mạng của tiêu chuẩn truyền thông IEC61850, hệ thống kích thích thông minh cũng phải có giám sát trực tuyến toàn diện, chẩn đoán lỗi thông minh và vận hành thử nghiệm và bảo trì thuận tiện. Hiệu suất và hiệu ứng ứng dụng của thiết bị kích thích thông minh đầy đủ chức năng cần được thử nghiệm trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế trong tương lai.
Thời gian đăng: 09-10-2024
