Equation Chapter 2 Section 1LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên
cứu. Trong đồ án có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài
liệu tham khảo
Hải Phòng, tháng 2 năm 2014
Sinh viên: LÂM THANH TÙNG
1
MỤC LỤC
2
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và đất nước
ta đang từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu sử dụng của nước ta
tăng trưởng không ngừng trên tất cả mọi vùng miền. Vì vậy sự nhảy vọt về công
suất của hệ thống điện lưới quốc gia cũng như nhu cầu cấp thiết về điện ở các
vùng hải đảo xa xôi hay các vùng núi cao đã buộc chúng ta phải gấp rút định
hướng phát triển thêm các hệ thống phát điện độc lập với nguồn điện có thể là
năng lượng tái tạo (năng lượng gió, mặt trời…) kết hợp với tổ hợp diesel lai máy
phát điện đồng bộ. Với lý do đó, việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống
phát điện độc lập là rất đáng để chúng ta lưu tâm và cũng là một hướng đi rất rõ
ràng cho các sinh viên, kỹ sư nghiên cứu tiến hành. Dựa vào những điều trên cụ
thể trong đồ án này sẽ nghiên cứu vấn đề “Mô hình hóa và mô phỏng tổ hợp
diesel lai máy phát đồng bộ kích thích độc lập sử dụng trong hệ thống phát
điện độc lập” dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ths.Phạm Tuấn Anh.
Mặc dù đã cố hết sức, đồ án chắc chắn cũng không tránh khỏi còn những
thiếu sót. Bản thân sinh viên thực hiện rất mong sẽ nhận được những nhận xét,
góp ý, đánh giá và phê bình từ các thầy các cô.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Ths.Phạm Tuấn
Anh, thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong
suốt thời gian làm đồ án để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Đồng thời, cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong bộ
môn Điện tự động công nghiệp cũng như Khoa điện – điện tử tàu biển và tất cả

số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của máy phát, máy biến áp
trong các bài toán ổn định.
Ở mức độ rất lớn, ta có hệ thống điện quốc gia. Ở mức độ nhỏ, ta có hệ
thống điện riêng của một nhà máy, hay một bệnh viện, một tòa nhà.
Hệ thống điện độc lập là một hệ thống điện không có liên hệ với hệ thống
điện quốc gia, có công suất trung bình/nhỏ (thường dưới 10 MW), hay gặp ở
những khu vực có điều kiện tự nhiên không thuận lợi cho việc kết nối với lưới
4
điện quốc gia như vùng núi cao, hải đảo, sa mạc…hoặc cũng có thể dùng làm
nguồn dự phòng cho các nhà máy, xí nghiệp, các dây chuyền sản xuất.
Thông thường, hệ thống điện sử dụng nhiều hơn một nguồn năng lượng
để sản xuất ra điện năng, ta gọi hệ thống điện như vậy là hệ thống điện hỗn hợp
hay hệ thống điện lai. Một ví dụ là hệ thống điện quốc gia. Ở hệ thống đó, ta có
những nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử sản xuất điện năng tương
ứng từ thủy năng, nhiệt năng và năng lượng từ các phản ứng hạt nhân. Trong
thời gian gần đây, việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (năng
lượng gió, mặt trời, sóng biển,…) trong các hệ thống điện ngày càng được các
nước quan tâm phát triển.
Hiện nay, ở các hệ thống điện lớn, tỷ lệ điện năng đóng góp bởi các nguồn
năng lượng tái tạo là còn rất khiêm tốn và sẽ chỉ tăng chậm trong những năm tới.
Trong khi đó, ở các lưới điện độc lập mới, năng lượng tái tạo hiện đã được sử
dụng như một nguồn năng lượng chính. Ta sẽ so sánh một số đặc điểm cơ bản
của lưới điện lai độc lập sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện
quốc gia ở mục tiếp theo.
5
Hình 1.1 Sơ đồ một hệ thống điện lai
1.2 Yêu cầu chung đối với hệ thống điện
- Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải
có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần
số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.

\* MERGEFORMAT (.)
Cho nên các điều kiện cân bằng công suất và không thể xét một cách độc
lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng.
Tuy vậy trong thực tế tính toán và vận hành hệ thống điện một cách gần
đúng có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng
tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là:
- Sự biến đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống
điện, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số có thể xem
là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng.
- Sự biến đổi của công suất phản kháng ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp
của hệ thống điện. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân
bằng công suất phản kháng.
Trong khi vận hành hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất và
được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị
sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thoả mãn.
Các điều kiện cân bằng công suất và và là các cơ sở xuất phát để tính
toán các chế độ của hệ thống điện. Từ các điều kiện ấy ta tính được các thông số
của chế độ U, I, P, Q…
Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và hệ thống điện, quy
định các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và công suất phản kháng như
sau:
7
- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng
bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép f
cpmin
≤ f ≤ f
cpmax
.
- Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của hệ thống
điện nằm trong giới hạn cho phép: U

này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động
nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích
động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh:
Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu
hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong
thực tế.
b) Ổn định động
Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên
độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện,
biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…Các kích động lớn tác động
làm cho cân bằng công suất Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương
ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động
này mà chế độ xác lập không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ
thống điện.
Ta có định nghĩa ổn định động:
Ổn định động là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm
việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn.
Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại
lâu dài.
c) Ổn định tổng quát
Khi một chế độ nào đó của hệ thống điện chịu các kích động nhỏ hoặc
lớn, nếu hệ thống điện có ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng công suất tác
dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ vững. Trong quá
trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ
9
cho nên tần số được xem như không thay đổi. Vì vậy đặc trưng quá trình dao
động rotor của máy phát khi chưa mất ổn định là tốc độ góc của chúng vẫn giữ
giá trị đồng bộ ω = ω

đổi điện áp này có thể làm cho mất cân bằng công suất tác dụng và công suất
phản kháng dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ ngừng làm
việc. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà chế độ làm
việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn định điện áp.
Ta có, định nghĩa ổn định điện áp (ổn định phụ tải):
Ổn định phụ tải là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại điện áp ban
đầu hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải [1].
10
1.4 So sánh hệ thống điện độc lập và hệ thống điện quốc gia
Hình 1.2 Lưới điện quốc gia
Các lưới điện độc lập có những tính chất khác biệt so với lưới điện chung
của quốc gia. Trong phân tích, ta thường coi hệ thống điện quốc gia như một
máy điện khổng lồ với công suất vô hạn, tần số và biên độ điện áp của lưới coi
như là không đổi. Giả thuyết đó dẫn đến việc ảnh hưởng thêm hoặc bớt một máy
phát điện với lưới quốc gia là không đáng kể. Vì có số lượng máy phát lớn, việc
phân tích hệ thống điện quốc gia không cần thiết và cũng không thể dùng các
mô hình có độ chính xác cao về động học cho từng máy điện.
Hình 1.2 mô tả một lưới điện quốc gia bao gồm các thành phần:
- Nguồn phát: có thể là các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân,
…Nguồn phát của lưới quốc gia thường phát điện áp 6KV
- Lưới phát: gồm có các biến áp tăng áp từ 6KV lên 220KV hoặc
500KV để phục vụ cho việc truyền tải
- Lưới truyền tải: bao gồm đường dây, các cột điện cao thế và các trang
bị cần thiết
- Lưới phân phối: có các biến áp hạ áp hạ từ các cấp điện áp cao xuống
điện áp 0.4KV để sử dụng
- Hộ tiêu thụ: có thể là hộ loại 1,2 hoặc 3, các nhà máy sản xuất hoặc
dùng cho sinh hoạt
Trong khi đó, một hệ thống điện lai độc lập chỉ bao gồm một số lượng
nhỏ các máy phát điện và bị hạn chế về công suất và thường không có lưới phân

ảnh hưởng bao gồm cả về giá trị biên độ điện áp tức thời và hệ số công suất trên
lưới. Do đó, sẽ gây ra phản ứng phần ứng trong máy phát điện, dẫn đến sự thay
đổi điện áp trên máy phát. Để có thể kiểm soát những thay đổi này thì cần phải
có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp. Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cần
12
có độ ổn định tốt, phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi của điện áp máy phát.
Tóm lại, hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cần đảm bảo chức năng [4]:
- Duy trì điện áp máy phát không đổi
Thông thường, khi điện áp máy phát thay đổi, kéo theo đó hệ thống tự
động điều chỉnh điện áp sẽ điều chỉnh để thay đổi điện áp kích từ cấp cho
máy phát để duy trì điện áp máy phát luôn không đổi.
- Điều chỉnh công suất phản kháng của các máy chạy song song khi có
từ 2 tổ hợp diesel – máy phát đồng bộ trở lên
- Hoạt động hiệu quả ở chế độ ổn định tĩnh
- Hoạt động hiệu quả ở chế độ ổn định động
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống máy phát điện Diesel
Một hệ máy phát điện Diesel thể hiện trên Hình 1.3 bao gồm:
- Động cơ Diesel: cung cấp mômen cơ làm quay rotor của máy phát điện
đồng bộ.
- Máy phát điện đồng bộ: từ năng lượng cơ được cung cấp bởi động cơ
Diesel và từ trường cung cấp bởi hệ thống kích từ sinh ra điện năng
phát lên lưới
- Các bộ điều khiển:
o Bộ điều khiển tần số: điều khiển tốc độ quay, cũng là điều khiển
tần số phát điện thông qua điều khiển mômen cơ mà động cơ
Diesel cung cấp.
o Bộ điều khiển điện áp: điều khiển hệ thống kích từ với nhiệm vụ
giữ cho điện áp đầu ra không đổi và tránh quá tải cho mạch kích
từ.
13

14
- Động cơ 4 kỳ
- Động cơ 2 kỳ
Theo phương pháp nạp khí mới vào không gian công tác:
- Động cơ không tăng áp
- Động cơ tăng áp
Theo đặc điểm kết cấu:
- Động cơ một hang cylinder, động cơ hình sao, hình chữ V, W, H,…
- Động cơ có cylinder thẳng đứng, nằm ngang hoặc nằm nghiêng
Theo tính năng:
- Động cơ tốc độ thấp, động cơ tốc độ trung bình, động cơ tốc độ cao
- Động cơ công suất lớn, động cơ công suất nhỏ
Theo công dụng:
- Động cơ dung cho xe cơ giới đường bộ
- Động cơ thủy
- Động cơ máy bay,…
15
c) Cấu tạo
Hình 2.1 Cấu tạo động cơ diesel
Cấu tạo như Hình 2.1 của động cơ diesel bao gồm các bộ phận như sau:
1 – Lọc không khí
2 – Ống nạp
3 – Xupap nạp
4 – Xupap xả
5 – Ống xả
6 – Bình giảm thanh
7 – Nắp cylinder
8 – Cylinder
9 – Piston
10 – Xéc măng

nén, piston từ điểm chết dưới đến điểm chết trên khi đó áp suất bên trong xilanh
mới đạt tới giá trị bằng với áp suất trên đường ống nạp. Do đó, để hoàn thiện
quá trình nạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở. Việc đóng xupap nạp là
nhằm để lợi dụng sự chênh áp giữa cylinder và đường ống nạp cũng như động
năng của dòng khí đang lưu động trên đường ống nạp để nạp thêm môi chất mới
vào cylinder. Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của piston sẽ làm áp
suất và nhiệt độ của môi chất tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối quá trình
nén phụ thuộc vào tỷ số nén, độ kín của buồng đốt, mức độ tản nhiệt của thành
vách cylinder và áp suất của môi chất ở đầu quá trình nén. Việc tự bốc cháy của
hỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ngắn. Muốn sử dụng
tốt nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá
trình cháy phía ở lân cận điểm chết trên. Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanh
động cơ đều được thực hiện trước khi piston đến điểm chết trên. Lúc này nhiệt
độ buồn cháy khoảng từ 500
o
C đến 800
o
C
Kỳ cháy và giãn nở:
18
Hình 2.4 Kỳ cháy và giãn nở
Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuối
quá trình nén được bốc cháy nhanh. Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làm
nhiệt độ và áp suất chất môi chất tăng mạnh, mặc dù thể tích làm việc có tăng
lên chút ít. Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, piston tiếp tục
đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong cylinder. Trong quá
trình giãn nở môi chất đẩy piston sinh công, do đó kỳ cháy và giãn nở được gọi
là hành trình công tác (sinh công).
Kỳ xả:
Hình 2.5 Kỳ xả

+ Kiểm tra áp suất gió khởi động, nếu khởi động bằng gió nén (P = 15
÷ 25 kg/cm
3
). Kiểm tra acquy và các dây dẫn nếu khởi động bằng động
cơ điện
+ Quan sát các phần quay có bị vướng mắc gì không
+ Nếu diesel trước đó bị sự cố → loại bỏ sự cố → sau đó hoàn nguyên
hệ thống (ấn nút reset)
+ Chọn chế độ khởi động bằng tay (Man) hoặc tự động (Auto)
- Khởi động (Start)
Khi có tín hiệu khởi động:
+ Ở chế độ Man: ấn nút start
+ Ở chế độ Auto: mất nguồn chính
20
→ Diesel được khởi động, tốc độ diesel tăng dần, lúc đó sẽ có hai
trường hợp xảy ra:
+ Khởi động thành công: Tốc độ diesel tăng lên, khi đạt tới tốc độ
n
min
, có tín hiệu ngắt khởi động. Tốc độ diesel tiếp tục tăng tới tốc
độ đặt (thường bằng tốc độ định mức n
đm
). Có tín hiệu đưa mạch
báo động và bảo vệ áp lực dầu bôi trơn vào làm việc (trước đó bị
loại ra). Tắt bơm dầu bôi trơn sơ bộ (nếu có).
+ Khởi động không thành công: sau một thời gian, cũng có tín hiệu
ngắt khởi động. Tốc độ diesel giảm dần về 0. Nếu hệ thống cho
phép tự khởi động lại một số lần (thường là 3) thì hệ thống chờ một
thời gian từ (8 ÷ 12 phút) để cho gió hoặc ắc qui phục hồi, khởi
động lần 2. Nếu không thành công, sau thời gian trễ hệ thống tiếp

lượng hữu ích sinh ra bởi động cơ (thể hiện bởi năng lượng cơ ở trục khuỷu) với
nhiệt năng được cung cấp lúc đó, cụ thể:
'
B M
W
m H
υ
ε
=
Equation Section (Next)\*
MERGEFORMAT (.)
với W: công trung bình sinh ra bởi các piston sau một chu trình Diesel
[kW.sec]
ν: số chu trình Diesel trong một giây
K
ω
π
 
=
 
 
ω: tốc độ quay của trục khuỷu động cơ, cũng là tốc độ quay cơ học của
rotor máy điện đồng bộ, và K = 2 là số kỳ của động cơ.
'
B
m
: khối lượng nhiên liệu trung bình được đốt trong một giây [kg/sec]
m
B
: khối lượng nhiên liệu trung bình được phun vào trong một giây

V
ε ε
υ
= =
\* MERGEFORMAT (.)
Trong đó: C
1
là hằng số
Khi piston chuyển động trong xilanh, một phần áp suất sinh ra bị mất để
thắng lực cản, lực ma sát. Coi phần áp suất này tỉ lệ với tốc độ trục khuỷu, ta có
phương trình đơn giản như sau:
3

f
p C
ω
=
\* MERGEFORMAT (.)
Với C
3
là 1 hằng số
Như vậy, áp suất có ích thực sự của động cơ là:
–
k i f
p p p
=
\* MERGEFORMAT (.)
Công suất cơ thực tế động cơ Diesel sinh ra là:
Dm H k H k
p V p V p

, và có đầu ra bị giới hạn bởi các giá trị
23
m
Dm max
,

m
Dm min
. Từ dữ liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất động cơ diesel, có thể
kết luận rằng động cơ diesel chỉ có thể hoạt động được từ 60 – 75% công suất
tối đa của chúng để tránh bị thiệt hại và già hóa động cơ [3].
2.2 Mô hình máy phát đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống máy
phát điện diesel. Việc phân tích và mô hình hóa máy điện đồng bộ đã được
nghiên cứu trong suốt thế kỷ 20. Lý thuyết về máy điện đồng bộ được đề cập kỹ
lưỡng trong tài liệu [1].
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện công
nghiệp, trong đó động cơ sơ cấp có thể là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin
nước. Với công nghệ chế tạo hiện đại, công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng
trăm MW hoặc lớn hơn. Máy phát thường tuabin hơi có tốc độ quay lớn do đó
được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục quay đặt nằm ngang. Trong khi đó, máy
phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực
lồi và trục được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có công suất
nhỏ và cần di động thì thường dùng động cơ diesel làm động cơ sơ cấp và gọi là
máy phát điện diesel. Các máy phát điện thường được sử dụng làm việc song
song với nhau, nhưng cũng có thể làm việc độc lập ở các lưới điện công suất
nhỏ.
2.3.1 Mô tả vật lý
Máy phát điện đồng bộ ở hình dưới bao gồm: phần cảm (rotor) và phần
ứng (stator). Phần cảm gồm 1 cuộn dây kích từ trên rotor. Phần ứng hồm 3 cuộn