Các dòng sông trong tự nhiên đều có độ dốc nhất định. Nước chảy dọc theo lòng sông dưới tác dụng của trọng lực. Nước ở vùng cao chứa nhiều năng lượng tiềm năng. Với sự hỗ trợ của các công trình thủy lực và thiết bị điện cơ, năng lượng của nước có thể được chuyển hóa thành năng lượng điện, tức là phát điện thủy điện. Nguyên lý phát điện thủy điện là hiện tượng cảm ứng điện từ, nghĩa là khi một dây dẫn cắt các đường sức từ trong từ trường, nó sẽ tạo ra dòng điện. Trong đó, “chuyển động” của dây dẫn trong từ trường được thực hiện nhờ dòng nước tác động vào tuabin để chuyển hóa 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 của máy phát điện, tức là từ tính được tạo ra bởi điện.
1. Hệ thống kích thích là gì? Để thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng, máy phát điện đồng bộ cần có từ trường một chiều, và dòng điện một chiều tạo ra từ trường này được gọi là dòng điện kích thích của máy phát điện. Nói chung, quá trình tạo ra từ trường trong rôto máy phát điện theo nguyên lý cảm ứng điện từ được gọi là kích thích. Hệ thống kích thích đề cập đến thiết bị cung cấp dòng điện kích thích cho máy phát điện đồng bộ. Nó là một bộ phận quan trọng của máy phát điện đồng bộ. Nó thường bao gồm hai bộ phận chính: bộ nguồn kích thích và bộ điều chỉnh kích thích. Bộ nguồn kích thích cung cấp dòng điện kích thích cho rôto máy phát điện đồng bộ, và bộ điều chỉnh kích thích điều khiển đầu ra của bộ nguồn kích thích theo tín hiệu đầu vào và các tiêu chí điều chỉnh đã cho.
2. Chức năng của hệ thống kích thích Hệ thống kích thích có các chức năng chính sau: (1) Trong điều kiện hoạt động bình thường, nó cung cấp dòng điện kích thích cho máy phát và điều chỉnh dòng điện kích thích theo quy luật đã cho dựa trên điện áp đầu cực của máy phát và 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 thích? 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 áp đầu cực Ug, dòng điện tải phản kháng Ir của máy phát và điện kháng đồng bộ dọc Xd:
Điện thế cảm ứng Ed tỷ lệ thuận với từ thông, và từ thông phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện kích thích. Khi dòng điện kích thích không đổi, từ thông và điện thế cảm ứng Ed cũng không đổi. Từ công thức trên, có thể thấy rằng điện áp đầu cực của máy phát sẽ giảm khi dòng điện phản kháng tăng. Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu về chất lượng điện năng của người sử dụng, điện áp đầu 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 tạo ra từ trường xoay chiều để chuyển đổi và truyền năng lượng. Công suất điện cần thiết để tạo ra 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 điều kiện bình thường, thiết bị điện không chỉ nhận công suất tác dụng từ máy phát điện mà còn cần nhận công suất phản kháng từ máy phát điện. Nếu công suất phản kháng trong lưới điện bị thiếu, thiết bị điện sẽ không có đủ công suất phản kháng để thiết lập trường điện từ bình thường. Khi đó, các thiết bị điện này không thể duy trì hoạt động định mức, và điện áp đầu cực của thiết bị điện sẽ giảm, do đó ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị điện. Vì vậy, 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 cường độ dòng điện kích thích. Nguyên lý cụ thể sẽ không được trình bày chi tiết ở đây. (3) Khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện hoặc các lý do khác khiến điện áp đầu cực của máy phát điện giảm nghiêm trọng, máy phát điện có thể được kích thích cưỡng bức để cải thiện giới hạn ổn định động của hệ thống điện và độ chính xác của hoạt động bảo vệ rơle. (4) Khi xảy ra hiện tượng quá áp máy phát do cắt tải đột ngột và các nguyên nhân khác, máy phát có thể được khử từ cưỡng bức để hạn chế sự gia tăng quá mức điện áp đầu cực máy phát. (5) Cải thiện tính ổn định tĩnh của hệ thống điện. (6) Khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch pha-pha bên trong máy phát và trên dây dẫn của nó hoặc điện áp đầu cực máy phát quá cao, việc khử từ được thực hiện nhanh chóng để hạn chế sự lan rộng của sự cố. (7) Công suất phản kháng của các máy phát song song có thể được phân bổ hợp lý.
3. Phân loại hệ thống kích thích Theo cách máy phát điện lấy dòng điện kích thích (tức là phương pháp cung cấp nguồn điện kích thích), hệ thống kích thích có thể được chia thành kích thích ngoài và tự kích thích: dòng điện kích thích lấy từ nguồn điện khác được gọi là kích thích ngoài; dòng điện kích thích lấy từ chính máy phát điện được gọi là tự kích thích. Theo phương pháp chỉnh lưu, nó có thể được chia thành kích thích quay và kích thích tĩnh. Hệ thống kích thích tĩnh không có máy kích thích đặc biệt. Nếu nó lấy nguồn điện kích thích từ chính máy phát điện, nó được gọi là kích thích tĩnh tự kích thích. Kích thích tĩnh tự kích thích có thể được chia thành tự kích thích song song và tự kích thích ghép.
Phương pháp kích thích được sử dụng phổ biến nhất là kích thích tĩnh song song tự thân, như thể hiện trong hình dưới đây. Nó lấy công suất kích thích thông qua máy biến áp chỉnh lưu được kết nối với đầu ra của máy phát điện, và cung cấp dòng điện kích thích cho máy phát điện sau khi chỉnh lưu.
Sơ đồ đấu dây của hệ thống kích thích tĩnh chỉnh lưu tự song song.
Hệ thống kích thích tĩnh song song tự thân 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 thực hiện các chức năng sau:
(1) Biến áp kích thích: Giảm điện áp ở đầu máy xuống điện áp phù hợp với bộ chỉnh lưu.
(2) Bộ chỉnh lưu: Đây là thành phần cốt lõi của toàn bộ hệ thống. Mạch cầu điều khiển hoàn toàn ba pha 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, đó là công tắc khử từ và điện trở khử từ. Thiết bị này chịu trách nhiệm khử từ nhanh chóng thiết bị trong trường hợp xảy ra sự cố.
(4) Bộ điều khiển điều chỉnh: Thiết bị điều khiển của hệ thống kích thích thay đổi dòng điện kích thích 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.
(5) Bảo vệ quá áp: Khi mạch rôto máy phát có quá áp, mạch sẽ được bật để tiêu thụ năng lượng quá áp, giới hạn giá trị quá áp và bảo vệ cuộn dây rôto máy phát và thiết bị kết nối với nó.
Ưu điểm của hệ thống kích thích tĩnh song song tự kích là: cấu trúc đơn giản, ít thiết bị, đầu tư thấp và bảo trì ít. Nhược điểm là khi máy phát điện hoặc hệ thống bị ngắn mạch, dòng điện kích thích sẽ biến mất hoặc giảm mạnh, trong khi lúc này dòng điện kích thích phải được tăng lên đáng kể (tức là kích thích cưỡng bức). Tuy nhiên, xét đến việc các tổ máy lớn hiện đại chủ yếu sử dụng thanh cái kín, và lưới điện cao áp thường được trang bị hệ thống bảo vệ nhanh và độ tin cậy cao, số lượng tổ máy sử dụng phương pháp kích thích này đang tăng lên, và đây cũng là phương pháp kích thích được khuyến nghị trong các quy định và tiêu chuẩn. 4. Phanh điện của tổ máy Khi tổ máy không tải và tắt, một phần năng lượng cơ học được tích trữ do quán tính quay lớn của rôto. Phần năng lượng này chỉ có thể được dừng hoàn toàn sau khi nó được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt ma sát của ổ đỡ lực đẩy, ổ đỡ 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, tốc độ rôto giảm rất nhanh lúc đầu, sau đó nó sẽ chạy không tải trong một thời gian dài ở tốc độ thấp. Khi máy hoạt động trong thời gian dài ở tốc độ thấp, bạc đỡ trục có thể bị cháy do màng dầu giữa tấm gương dưới đầu đỡ trục và bạc đỡ không được hình thành. 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. Hệ thống phanh của máy được chia thành phanh điện, phanh cơ khí và phanh kết hợp. Phanh điện là quá trình ngắn mạch stato máy phát ba pha tại đầu ra máy sau khi máy phát được tách rời và khử từ, và chờ tốc độ máy giảm xuống khoảng 50% đến 60% tốc độ định mức. Thông qua một loạt các thao tác logic, 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. Do máy phát đang quay, stato cảm ứng dòng điện ngắn mạch dưới tác dụng của từ trường rôto. Mômen điện từ tạo ra ngược chiều với chiều quán tính của rôto, đóng vai trò hãm. Trong quá trình thực hiện phanh điện, nguồn điện phanh cần được cung cấp từ bên ngoài, điều này liên quan mật thiết đến cấu trúc mạch chính của hệ thống kích thích. Các phương pháp 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 cấp điện kích thích phanh điện.
Cách thứ nhất, thiết bị kích thích sử dụng phương pháp đấu dây kích thích song song. Khi đầu máy bị ngắn mạch, máy biến áp kích thích sẽ không có nguồn điện. Nguồn điện phanh được cung cấp 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 song song, và việc sử dụng cầu chỉnh lưu cho hệ thống kích thích và hệ thống phanh điện sẽ tiết kiệm hơn. Do đó, phương pháp lấy nguồn điện kích thích phanh điện này phổ biến hơn. Quy trình phanh điện của phương pháp này như sau:
(1) Bộ ngắt mạch đầu ra của thiết bị được mở và hệ thống được tách rời.
(2) Cuộn dây rôto bị 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 được đóng.
(5) Công tắc nguồn ở phía thứ cấp của máy biến áp phanh điện được 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 sẽ được áp dụng). 5. Hệ thống kích thích thông minh Nhà máy thủy điện thông minh đề cập đến một nhà máy thủy điện hoặc một nhóm trạm thủy điện với số hóa thông tin, mạng lưới truyền thông, tiêu chuẩn hóa tích hợp, tương tác nghiệp vụ, tối ưu hóa vận hành và ra quyết định thông minh. Các nhà máy thủy điện thông minh được chia theo chiều dọc thành lớp xử lý, lớp tổ máy và lớp điều khiển trạm, sử dụng cấu trúc mạng 3 lớp 2 lớp của mạng lớp xử lý (mạng GOOSE, mạng SV) và mạng lớp điều khiển trạm (mạng MMS). Các nhà máy thủy điện thông minh cần được hỗ trợ bởi các thiết bị thông minh. Là hệ thống điều khiển cốt lõi của tổ máy phát tuabin thủy điện, sự phát triển công nghệ của hệ thống kích thích đóng vai trò hỗ trợ quan trọng trong việc xây dựng các nhà máy thủy điện thông minh.
Trong các nhà máy thủy điện thông minh, ngoài việc thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như khởi động và dừng tổ máy phát tuabin, tăng giảm công suất phản kháng và dừng khẩn cấp, hệ thống kích thích còn phải đáp ứng các chức năng mô hình hóa dữ liệu và truyền thông IEC61850, đồng thời hỗ trợ giao tiếp với mạng lớp điều khiển trạm (mạng MMS) và mạng lớp xử lý (mạng GOOSE và mạng SV). Thiết bị hệ thống kích thích được bố trí ở lớp đơn vị của cấu trúc hệ thống nhà máy thủy điện thông minh, còn bộ phận hợp nhất, thiết bị đầu cuối thông minh, bộ điều khiển phụ trợ và các thiết bị hoặc thiết bị thông minh khác được bố trí ở lớp xử lý. Cấu trúc hệ thống được thể hiện trong hình dưới đây.
Hệ thống kích thích thông minh
Máy tính 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 thích đến máy tính chủ của hệ thống giám sát thông qua mạng MMS. Hệ thống kích thích thông minh cần có khả năng kết nối với mạng GOOSE và các bộ chuyển mạch mạng SV để thu thập dữ liệu ở lớp xử lý. Lớp xử lý yêu cầu dữ liệu đầu ra từ CT, PT và các thành phần cục bộ đều ở dạng số. CT và PT được kết nối với bộ phận hợp nhất (máy biến áp điện tử được kết nối bằng cáp quang, và máy 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 bộ chuyển mạch mạng SV thông qua cáp quang. Các thành phần cục bộ cần được kết nối với thiết bị đầu cuối thông minh thông qua cáp, và tín hiệu chuyển mạch hoặc tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số và truyền đến bộ chuyển mạch mạng GOOSE thông qua cáp quang. Hiện nay, hệ thống kích thích về cơ bản đã có chức năng truyền thông với mạng MMS của lớp điều khiển trạm và mạng GOOSE/SV của lớp xử lý. Ngoài việc đáp ứng tiêu chuẩn truyền thông IEC61850 về tương tác thông tin mạng, hệ thống kích thích thông minh cũng cần có khả năng giám sát trực tuyến toàn diện, chẩn đoán lỗi thông minh và vận hành, bảo trì thuận tiện. Hiệu suất và hiệu quả ứng dụng của thiết bị kích thích thông minh đầy đủ chức năng cần được kiểm chứng trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế trong tương lai.
Thời gian đăng bài: 09/10/2024
