29590 ban_at_semiconductor_540x150

Thiết kế chế tạo tủ kích thích điều khiển kỹ thuật số cho nhà máy thuỷ điện Hoà Bình

Email In PDF.

Nhà máy Thủy điện Hòa Bình có 8 tổ máy phát điện, công suất lắp đặt định mức của mỗi tổ: 240MW. Hệ thống kích thích của các máy phát điện là kích thích độc lập. Mỗi máy có một hệ thống kích thích riêng biệt. Việc kích thích cho máy phát điện chính được thực hiện theo sơ đồ kích thích thyristor độc lập bằng việc cung cấp cho các cuộn dây từ thanh cái stator của máy phát điện phụ, nối đồng trục với máy phát điện chính qua các bộ biến đổi, mà chúng được đấu song song ở phía dòng một chiều.

Giới thiệu chung

Nhà máy Thủy điện Hòa Bình có 8 tổ máy phát điện, công suất lắp đặt định mức của mỗi tổ: 240MW. Hệ thống kích thích của các máy phát điện là kích thích độc lập. Mỗi máy có một hệ thống kích thích riêng biệt. Việc kích thích cho máy phát điện chính được thực hiện theo sơ đồ kích thích thyristor độc lập bằng việc cung cấp cho các cuộn dây từ thanh cái stator của máy phát điện phụ, nối đồng trục với máy phát điện chính qua các bộ biến đổi, mà chúng được đấu song song ở phía dòng một chiều.

Hình 1: Sơ đồ chức năng hệ thống kích từ

Hệ thống kích thích có cấu trúc gồm 2 cấp như Hình 1, trong đó:

* Cấp 1: Kích thích cho máy phát điện phụ F2 (kích thích phụ). Hệ thống gồm khối mạch lực chỉnh lưu T2 và khối điều khiển AVR-F2.

*Cấp 2: Kích từ cho máy phát chính F1 (kích thích chính). Hệ thống gồm khối mạch lực chỉnh lưu T1 và khối điều khiển AVR- F1.

Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm các bộ tạo kích thích ban đầu (KTBĐ), bộ phận dập từ QE-FV, biến áp nguồn TE1, biến áp tự dùng TE2 và các biến dòng TA, biến điện áp đo lường TV để lấy tín hiệu phản hồi.

Hệ thống đảm bảo làm việc tin cậy ở các chế độ sau:

- Kích thích ban đầu;

- Kích thích khi không tải;

- Làm việc khi máy phát mang tải và quá tải;

- Cường hành kích thích với bội số dòng và bội số áp đặt trước ;

- Giảm kích thích khi lưới điện có sự cố;

- Dập từ cho máy phát điện ở chế độ dừng sự cố và dừng bình thường.

Hệ thống kích thích thyristor cho các máy phát điện của Nhà máy Thuỷ điện Hòa Bình do Nhà máy Sản xuất máy phát điện Electrosila (Cộng hoà Liên bang Nga) thiết kế, chế tạo và lắp đặt từ cuối những năm 1980 (tổ máy số 1) và năm 1994 (tổ máy số 8) với các cầu chỉnh lưu Thyristor cho kích thích chính có dòng điện và điện áp 2500A; 1650V và kích từ phụ có dòng điện và điện áp 320A; 460V. Tất cả các cầu chỉnh lưu này đều dùng mạch điều khiển tương tự analog với các bán dẫn và vi mạch.

Qua theo dõi vận hành, các thiết bị điện tử, các panen điều khiển cho các các bộ chỉnh l­ưu điều khiển kích thích máy phát điện đều có các đặc điểm sau:

* Cấp độ kỹ thuật điều khiển chỉ là dạng analog, không còn phù hợp với công nghệ số hoá hiện nay.

* Các thiết bị của hệ thống kích thích đã có thời gian vận hành từ 12 đến 17 năm. Mặt khác lại lắp đặt trong hầm, mà điều kiện môi trư­ờng tương đối khắc nghiệt: Nhiệt độ cao và độ ẩm lớn, là nguyên nhân tác động trực tiếp đến khả năng làm việc ổn định của các phần tử như các điện trở công suất nhỏ, tụ điện, các vi mạch, bóng bán dẫn... do đó đã làm thay đổi các đặc tuyến điều chỉnh, thậm trí gây ra các sự cố.

* Hệ thống kích thích của các tổ máy đã qua nhiều chu kỳ sửa chữa lớn. Tuy phần lớn các khối chức năng đã được một số đơn vị trong nước chế tạo, song chỉ đơn chiếc. Các linh kiện rời khác đều phải nhập ngoại, thông qua đấu thầu cung cấp, điều này đã làm mất đi tính chủ động đối với nhà máy khi cần sửa chữa thay thế các hư hỏng.

* Các linh kiện điện tử, các panen điều khiển dự phòng cho hệ thống điều khiển của hệ thống kích thích đến nay đã hết. Bản thân các nước trong khối SNG cũng đã có xu hướng thay đổi công nghệ trong thiết kế, chế tạo thiết bị nói chung, nhiều chủng loại linh kiện không còn đ­ược sản xuất nữa. Đó cũng là một khó khăn không nhỏ chẳng những cho Nhà máy Thuỷ điện Hoà Bình, mà còn đối với các nhà máy do Liên Xô trước đây giúp đỡ xây dựng, đồng bộ thiết bị.

* Các dạng sự cố do hư hỏng và xuống cấp của thiết bị thuộc hệ thống kích thích cũ đã xuất hiện với tần suất dày hơn, lặp lại ở tất cả các tổ máy, nghĩa là đã qua chu kỳ vận hành ổn định và tin cậy, hay nói một cách khác là tuổi thọ không còn để có thể tiếp tục vận hành tin cậy ở chu kỳ tiếp theo, nếu không có biện pháp thay thế, nâng cấp cục bộ hoặc toàn bộ hệ thống.

Khi chưa có Thuỷ điện Sơn La, thì Hoà Bình vẫn là nhà máy thuỷ điện có tổng công suất lắp đặt lớn nhất Việt Nam. Vai trò của Nhà máy đối với hệ thống điện vẫn rất lớn, điện lượng sản xuất của Nhà máy vẫn chiếm khoảng xấp xỉ 40% điện lượng thuỷ điện toàn hệ thống. Nhà máy vẫn là đơn vị có nhiều thành tích trong quản lý kỹ thuật, trong vận hành và sửa chữa lớn, sửa chữa thường xuyên thiết bị các tổ máy, khai thác có hiệu quả tài nguyên nước cho phát điện, cho sản xuất nông nghiệp, cấp nước cho sinh hoạt và đảm bảo giao thông thuỷ phía hạ du sông Đà. Liên tục hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ sản xuất điện và thực hiện tốt vai trò điều tần cho hệ thống điện. Chi phí sửa chữa lớn theo định kỳ hàng năm cho các thiết bị công nghệ, trong đó có hệ thống kích thích và các công trình phụ trợ phục vụ cho sản xuất điện của Nhà máy thường ở mức từ 45 đến 50 tỷ đồng, các năm tiếp theo có thể còn cao hơn. Việc thay thế, nâng cấp và hiện đại hoá toàn bộ thiết bị đo lường, điều khiển và tự động cho thiết bị công nghệ của Nhà máy chỉ thực hiện được khi có một nguồn vốn khoảng 10 triệu USD, mà thực tế hiện nay, điều này là không thể, xét theo các yếu tố tài chính và thời gian để đưa ra sửa chữa có nâng cấp.

Phải duy trì các tổ máy vận hành ổn định, tin cậy trong các năm 2005-2008 là nhiệm vụ quan trọng đối với lãnh đạo và cán bộ công nhân viên Nhà máy Thuỷ điện Hoà Bình. Sửa chữa, thay thế, nâng cấp cục bộ một hệ thống thiết thiết bị cũ theo xu hướng số hóa với cập nhật kỹ thuật điều khiển hiện đại là đòi hỏi, là mục tiêu và mong muốn của Nhà máy.

Để phát huy nội lực, khai thác khả năng chuyên môn kỹ thuật của các chuyên gia trong nước, Bộ Khoa học - Công nghệ & Môi trường đã cấp kinh phí cho Công ty TNHH Kỹ thuật Hệ thống Bách Khoa (Hà Nội) thực hiện Đề án mang mã số 20-2002-DAĐL để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp đặt thiết bị của hệ chỉnh lưu điều khiển kỹ thuật số, thay thế và nâng cấp hệ thống điều khiển kích thích thyristor dạng analog của Nhà máy Thuỷ điện Hoà Bình.

Thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu điều khiển kỹ thuật số cho kích thích phụ

* Nguyên lý mạch điều chỉnh

Phương hướng chung của việc thiết kế chế tạo các bộ chỉnh lưu Thyristor cung cấp cho mạch kích thích máy phát là cập nhật công nghệ điều khiển tiên tiến, nhằm thiết kế chế tạo các bộ kích thích điều khiển kỹ thuật số với độ tin cậy cao, tính năng kỹ thuật tốt, tiện lợi trong vận hành và bảo dưỡng để thay thế các bộ chỉnh lưu kích thích phải nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành cao. Hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu là hệ điều khiển kỹ thuật số sử dụng Vi điều khiển với các chương trình điều khiển thời gian thực, đảm bảo đầy đủ các chức năng công nghệ của hệ điều khiển hiện có, đồng thời được bổ sung thêm các chức năng: thay đổi hiệu chỉnh tham số điều khiển bằng phần mềm, dễ dàng ghép nối với hệ điều khiển máy tính trung tâm, hiển thị tham số và trạng thái làm việc của hệ thống trên màn hình giao tiếp với người dùng (LCD), quản lý và lưu giữ thông số hệ thống lâu dài và tin cậy.

Trong giới hạn bài viết này, chỉ xin trình bày tóm tắt việc thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu điều khiển kỹ thuật số cho kích thích phụ của các máy phát Thủy điện Hòa Bình.

Tủ điều khiển kỹ thuật số kích thích phụ gồm 2 bộ chỉnh lưu Thyristor, một bộ làm việc và một bộ dự phòng nóng.

Bộ chỉnh lưu điều khiển số cho kích thích phụ đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật sau:

* Cung cấp công suất định mức 320A - 460V với điện áp nguồn xoay chiều là 380V.

Khoảng điều chỉnh điện áp mịn xung quanh Uđm và thích ứng với tất cả chế độ thay đổi của phụ tải.

* Hệ thống đảm bảo chế độ tự kích thích lúc khởi động và nghịch lưu dập từ trong chế độ dừng.

* Hệ thống đảm bảo ổn định động với thời gian quá độ nhỏ hơn 2 giây và sai lệch tĩnh không quá 0,2%.

* Thiết bị có hệ số quá dòng và quá áp cao, đồng thời thời gian tác động nhanh nhằm đảm bảo chế độ đặc trưng của hệ thống điều khiển kích thích máy phát là chế độ cường hành.

* Việc thay thế các phần tử của hệ thống bị hư hỏng là dễ dàng và nhanh chóng.

Sơ đồ cấu trúc nguyên lý điều chỉnh của bộ chỉnh lưu như hình 2.

Hình 2: Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu

Đây là sơ đồ cầu chỉnh lưu 3 pha, mỗi một nhánh cầu dùng một Thyristor loại 500A-1200V. Khi hệ thống làm việc bình thường các cầu dao QS4, QS5, QE1 đều đóng. Biến áp TE1 nhận nguồn từ máy phát F2 để cấp cho bộ chỉnh lưu Thyristor và rồi điện áp một chiều của bộ chỉnh lưu này lại cấp cho cuộn kích thích CKT của F2. Hệ thống điều chỉnh kích thích với nguyên lý như hình 2 là hệ thống kín nhằm giữ ổn định điện áp đầu cực của F2 với sai lệch tĩnh không quá 0,2% khi với mọi nhiễu loạn của phụ tải.

* Thiết kế mạch điều khiển

Hệ thống điều khiển kích thích kỹ thuật số cho máy phát sử dụng các bộ chỉnh lưu Thyristor phải đảm bảo cả hai chức năng tạo xung điều khiển và thực hiện hệ điều chỉnh vòng kín, đồng thời phải thực hiện các yêu cầu đặc thù của hệ kích thích máy phát thủy điện.

Hệ thống điều khiển kích thích kỹ thuật số dùng vi điều khiển cũng gồm các khối sau:

- Khối đồng pha: Khối này tạo ra tín hiệu đồng pha từ nguyên lý phát hiện tín hiệu điểm 0 của nguồn xoay chiều.

- Khối tín hiệu đặt: có thể đặt bằng số hoặc tương tự.

- Khối phản hồi để lấy tín hiệu phản hồi điện áp, dòng điện và các tín hiệu hiệu chỉnh tương ứng ở đầu ra của máy phát.

- Khối khuyếch đại xung và biến áp xung (KĐX-BAX ) để khuyếch đại và cách ly mạch điều khiển với mạch lực.

- Khối hiển thị để hiển thị và quan sát các tham số và trạng thái của hệ thống kích từ như tín hiệu: dòng điện, điện áp, các tín hiệu góc điều khiển, điện áp phản hồi, các tín hiệu bảo vệ và trạng thái của hệ thống.

- Khối trung tâm: Đây là khối xử lý và tính toán tất cả giá trị điều khiển và thuật toán điều khiển.

Hình 5: Điện áp của bộ chỉnh lưu Thyristor ứng với các góc điều khiển: Góc điều khiển anpha ="60" độ và góc điều khiển anpha = 90 độ

Một đặc điểm rất quan trọng của hệ thống điều khiển kỹ thuật số là phần mềm thời gian thực để thực hiện các thuật toán logic và thuật toán điều chỉnh một cách nhanh chóng, linh hoạt và tin cậy. Phần mềm với các module chương trình kết hợp với các thiết bị phần cứng đã tạo nên hệ thống điều khiển kỹ thuật số thực hiện hoàn chỉnh các yêu cầu công nghệ, chắc chắn và gọn nhẹ.

Ngoài ra hệ thống điều khiển kỹ thuật số có thể nhớ và hiển thị một số tham số chính trong 24 giờ đã qua, đồng thời có thể ghép nối trực tiếp với máy tính để lập trình và thay đổi các tham số điều khiển khi cần thiết.

* Kết quả chế tạo và thử nghiệm

Trên cơ sở phân tích lý thuyết về công nghệ và điều khiển hệ thống, Nhóm tác giả đã thiết kế, chế tạo thành công bộ chỉnh lưu kích thích điều khiển kỹ thuật số. Các đặc tính thử nghiệm tĩnh hệ thống điểu khiển tại phòng thí nghiệm như trên hình 5, với góc điều khiển lần lượt là 60 và 900 - đối với kích thích máy phát điện phụ khi sử dụng hệ kích thích điều khiển kỹ thuật số của Dự án 20-2002-DADL do Đại học Bách Khoa Hà Nội chế tạo. Phân tích kết quả ta thấy dòng kích thích ổn định với mọi phụ tải và sai số tĩnh của điện áp hầu như bằng 0, thời gian tự kích thích và quá độ của hệ thống không quá 2 giây .

Kết luận

Hiện tại, các hệ thống kích thích máy phát điện ở các nhà máy phát điện xây dựng sau năm 2000 đều do các hãng có uy tín và có kinh nghiệm của nước ngoài sản xuất và cung cấp. Đây là một sản phẩm công nghệ cao, bao gồm nhiều kiến thức tổng hơp về điều khiển, phần cứng và phần mềm cũng như công nghệ thiết kế lắp đặt hệ thống, nguyên lý điều khiển về cơ bản là như nhau.

Việc Bộ Khoa học - Công nghệ & Môi trường mạnh dạn cấp kinh phí cho Dự án mang mã số 20-2002-DADL để đầu tư nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển kích thích kỹ thuật số cho máy phát điện công suất lớn, đáp ứng toàn bộ yêu cầu công nghệ khắt khe của vận hành và trên thực tế đã vận hành ổn định với các múc phụ tải khác nhau tại môi truờng làm việc khắc nghiệt như Thủy điện Hòa Bình là một thành công đáng khích lệ. Các kết quả thu được thông qua việc thiết kế chế tạo hệ thống kích thích kỹ thuật số này đã mở ra một hướng mới, tạo điều kiện chủ động trong mua sắm, đặt hàng cho nhà máy, đồng thời thúc đẩy việc tiếp tục triển khai có đúc kết kinh nghiệm để hoàn thiện và nâng cao hơn nữa khả năng làm chủ kỹ thuật của các nhà khoa học trong nước trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá các thiết bị công nghiệp nói chung và sản xuất điện nói riêng.

(theo: Tạp chí Điện lực)


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn: