ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ NGUYÊN TRƯỞNG

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG
ĐIỀU TỐC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60 52 02 02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Ngô Văn Dưỡng

Phản biện 1:
PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu
Phản biện 2:
TS. Vũ Phan Huấn

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ kỹ thuật Điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 27
tháng 10 năm 2018.

Đề tài đã đẩy nhanh quá trình hòa đồng bộ của tổ máy, giúp
quá trình phát điện lên hệ thống điện diễn ra kịp thời, đáp ứng nhu
cầu của phụ tải.
Đề tài cũng nghiên cứu sửa đổi và nâng cao khả năng tự động


2
điều chỉnh tần số lưới của tổ máy; từ đó góp phần làm ổn định tần số
lưới điện hơn nữa, nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống.
2. Mục đích nghiên cứu
Khảo sát, đánh giá hiện trạng, để tìm giải pháp khả thi nhằm
nâng cao hiệu quả điều khiển tốc độ và tần số của hệ thống điều tốc
nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3.
Các nguyên lý điều khiển tốc độ máy phát khi khởi động và
hòa đồng bộ; điều chỉnh phát công suất tác dụng; tự động điều chỉnh
tần số khi tần số hệ thống điện có dao động.
3.2. Phạm vi nghiên cứu:
Hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
4. Phương pháp nghiên cứu
Khảo sát, đánh giá hiện trạng các chế độ làm việc của hệ thống
điều tốc nhà máy thủy điện Đồng Nai 3, trên cơ sở đó xác định các
hạn chế của hệ thống. Tìm hiều cơ sở lý thuyết điều khiển của các hệ
thống điều tốc thủy điện, các giải pháp đảm bảo độ tin cậy làm việc
của hệ thống, từ đó đề xuất giải pháp hợp lý để áp dụng nhằm nâng
cao hiệu quả vận hành của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện
Đồng Nai 3.
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

CHƯƠNG 4:

GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC CÁC HẠN CHẾ CỦA
HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC VÀ ỨNG NGHIỆM
THỰC TẾ


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3
1.1. Tổng quan về nhà máy
1.2. Chức năng nhiệm vụ nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
1.3. Hồ chứa nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
1.4. Đập chính nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
1.5. Cửa nhận nước nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
1.6. Đường hầm áp lực nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
1.7. Các thiết bị của nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
1.8. Các hệ thống chính trong nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3
1.8.1.

Hệ thống SCADA điều khiển chung

1.8.2.

Hệ thống kích từ

1.8.3.

Hệ thống rơ le bảo vệ


Cơ cấu thủy lực chấp hành có 3 phần chính:
➢ Phần servor thủy lực và van cánh hướng.
➢ Phần cụm van solenoid và van tỉ lệ điều khiển.
➢ Phần hệ thống bơm tạo và duy trì áp suất dầu.

2.2.2.

Phần hệ thống bơm tạo và duy trì áp suất dầu

2.2.3.

Phần cụm van solenoid và van tỉ lệ điều khiển

2.2.4.

Phần servo thủy lực và van cánh hướng

2.3. Cơ cấu giám sát - điều khiển hệ thống theo chu trình của hệ
thống điều tốc
2.3.1.

Giới thiệu

2.3.2.

Phần CPU điều khiển:

2.3.3.

Phần tín hiệu giám sát và hồi tiếp:


OPC ( Opening controller) “5.”

2.5.5.

SPC ( Speed controller) “4.”

2.5.6.

SEL (Selection) “3.”

2.5.7.

Khối OPL (Opening Limitation) “2.”

2.5.8.

WPO (Wicket gate posision) “1.”

2.6. Giới thiệu về phần mềm SAT TOOLBOX II


7
2.6.1.

Data distribution center

2.6.2.

OPM

Power controller điều khiển trong quá trình tổ máy đã hòa đồng

bộ và đang phát công suất lên lưới.
-

Opening controller điều khiển trong quá trình quá độ giữa các

chế độ, khi xãy ra sự cố mất tín hiệu hồi tiếp công suất, hoặc do điều
hành viên chủ động chuyển sang.
Phần mềm SAT Toolbox II giúp giao tiếp và xây dựng logic
cho CPU điều khiển hệ thống điều tốc.
Qua chương này đã giới thiệu về cấu trúc hệ thống điều tốc, và
chức năng của các chế độ điều khiển trong hệ thống điều tốc. Qua đó
là nền tảng để đi sâu vào phân tích các khuyết điểm, hạn chế của hệ
thống điều tốc trong các chương sau.


8
CHƯƠNG 3
VAI TRÒ VÀ CÁC HẠN CHẾ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC
TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TỔ MÁY
3.1. Vai trò và hạn chế của hệ thống điều tốc trong quá trình
hòa đồng bộ

3.1.1. Giới thiệu chu trình khởi động tổ máy trong nhà máy thủy
điện Đồng Nai 3
Chi tiết toàn chu trình xem ở phụ lục 2.
Quá trình hòa đồng bộ là giai đoạn cuối trong chu trình “STOP
to GEN”; là bước chuyển giữa trạng thái “Noload” sang trạng thái
“GEN”; hệ thống SCADA điều khiển chung gửi lệnh start bộ hòa



9
Độ lệch góc pha -  φ [º]

-10

Độ lệch góc pha +  φ [º]

+10

3.1.2.2. Thông tin thiết bị
3.1.2.3. Nguyên lý làm việc bộ hòa đồng bộ “SYN 5201”
-

Tính toán ΔU = U1 − U 2
Với:

U1 là điện áp phía lưới điện hệ thống.
U2 là điện áp phía đầu cực máy phát.

Nếu:

ΔU > 0 hiệu chỉnh điện áp đầu cực máy phát tăng

lên.
ΔU < 0 hiệu chỉnh điện áp đầu cực máy phát giảm
xuống.
-



Công thức thời gian: ds / dt = 2 

x =56

 s % / s 
x =1

x

Mỗi 0,5 s; một giá trị trung bình được tính chuẩn từ 56 lần đo
lường, thời gian lấy mẫu 9ms.


10

3.1.2.4. Đo lường điện áp trong bộ hòa đồng bộ
3.1.3. Chế độ điều khiển “Speed controller” của PLC hệ thống
điều tốc

Hình 3. 1. Sơ đồ hàm truyền của Speed controller

3.1.3.1. Khối chương trình Setpoint
3.1.3.2. Khối PID
❖

Nguyên lý làm việc:
Hàm truyền:

G ( s) = K p +


Hình 3. 2. Thời điểm 11h45’ tần số dao động lớn thời gian hòa kéo
dài 1phút 58 giây

Hình 3. 3. Thời điểm 13h tần số dao động lớn thời gian hòa kéo dài
1phút 53 giây


12
3.2. Vai trò và hạn chế hệ thống điều tốc Đồng Nai 3 trong quá
trình điều tần

3.2.1. Cơ sở lý thuyết chức năng điều tần
3.2.1.1. Nguyên nhân dao động tần số hệ thống

Hình 3. 4. Ví dụ cơ bản về một nhà máy phát điện cung cấp độc lập
cho một phụ tải
3.2.1.2. Ảnh hưởng của việc dao động tần số hệ thống
-

Đối với máy phát:

-

Đối với phụ tải:
Khi có thay đổi phụ tải ta có thể biểu diễn theo biểu thức sau:

Pe = PL + D r

Hình 3. 5. Sơ đồ khối mô tả mối quan hệ giữa moment, độ lệch công

sự cân bằng giữa Pm và Pe.
Vấn đề đặt ra trong trường hợp tự điều chỉnh là ∆Pe quá lớn để
mỗi máy phát có thể đáp ứng, do đó cần thiết phải có nhiều máy phát
cùng thực hiện.

3.2.2. Chương trình điều tần nhà máy Đồng Nai 3
3.2.2.1. Phương trình đặc tuyến P-F
Công thức tính toán ΔP khi tần số hệ thống dao động ΔF được
xây dựng như sau :


14

F F
F
S % = 0 = 50  ∆P = 25∆F (MW) (ứng với S = 4)
P P
P0
90
Trung tâm điều độ cho phép tần số hệ thống dao động trong
một vùng an toàn gọi là vùng deadband (Db). Khi tần số hệ thống
dao động nằm trong vùng này, được coi là ổn định và máy phát
không phải điều tần.
Vậy công thức tính ΔF là :
ΔF = (Ft ± Db) – F0
Nếu Ft ≥ (F0 + Db) thì ΔF = (Ft - Db) – 50 (F0 = 50Hz)
Nếu Ft ≤ (F0 - Db) thì ΔF = (Ft + Db) – 50 (F0 = 50Hz)
Nếu (F0 - Db) ≤ Ft ≤ (F0 + Db) thì ΔF = 0.
Giá trị S (độ trượt PF) được quy định là 4 %, và Db là 0,1Hz
(tính đến năm 2017 theo trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia).

Với giá trị Db là ±0,5Hz này hệ thống gần như rất ít khi thực
hiện điều tần (tần số hệ thống thường chỉ dao động 0,2 Hz đến 0,3 Hz
trong ngày) trừ các trường hợp sự cố.
Điều này làm hạn chế khả năng làm việc của hệ thống điều
tốc, hạn chế phần nào khả năng điều tần của toàn hệ thống.
Trường hợp khi tần số hệ thống dao động quá lớn hệ thống
thực hiện điều tần kéo công suất tổ máy xuống quá thấp gây rung
động lớn cho máy phát.


16
3.3. TÓM TẮT CHƯƠNG 3
Quá trình hòa đồng bộ là giai đoạn cuối trong chu trình “STOP
to GEN”; là bước chuyển giữa trạng thái “Noload” sang trạng thái
“GEN”; hệ thống SCADA điều khiển chung gửi lệnh start bộ hòa
đồng bộ “SYN 5201”. Bộ hòa sẽ gửi lệnh đến hệ thống điều tốc hoặc
kích từ để điều chỉnh các thông số ΔU, ΔF, Δφ đạt yêu cầu hòa lưới.
Hệ thống điều tốc trong quá trình hòa làm việc ở chương trình
“Speed controller” chỉ có nhiệm vụ giữ ổn định tần số đầu cực máy
phát ở 50Hz. Vào các thời điểm tần số hệ thống dao động biên độ
lớn, quá trình hòa đồng bộ khó khăn hoặc không thực hiện được.
Nguyên nhân chính của sự dao động tần số hệ thống là sự mất
cân bằng giữa công suất phát điện và công suất tiêu thụ (hoặc là sự
mất cân bằng giữa công suất cơ Pm của nhà máy phát điện và công
suất điện Pe của phụ tải) . Khi có sự thay đổi phụ tải, công suất điện
máy phát thay đổi gây ra sự chênh lệch giữa moment điện và moment
cơ trên trục máy phát và kết quả là sự sai lệch về tốc độ (tần số).
Nguyên nhân này có thể vì sự thay đổi phụ tải trong ngày, có thể vì
sự cố gây mất điện nguồn phát hoặc phụ tải...
Chức năng điều tần của hệ thống điều tốc nhà máy Đồng Nai 3

với tần số hệ thống điện.
Do đó trong quá trình hòa đồng bộ, dù ngay tại các thời điểm
tần số hệ thống dao động biên độ lớn, tần số đầu cực máy phát luôn
gần sát tần số hệ thống; bộ hòa đồng bộ chỉ cần điều chỉnh ΔU và Δφ,
quá trình hòa diễn ra dễ dàng, nhanh hơn.
4.1.2.

Thử nghiệm thực tế giải pháp khắc phục


18
Sau khi thay đổi logic, download chương trình lên PLC điều
tốc, thực hiện chạy thử nghiệm hệ thống điều tốc và tổ máy ngày
25/04/2018.
Nét đỏ là tần số, nét xanh là công suất phát, nét tím là độ mở
van cánh hướng

Hình 4. 2. Thời điểm 8h15 tần số dao động lớn, thời gian hòa kéo
dài 1phút 01 giây
Thời gian hòa rút ngắn xuống hơn 1 phút ngay cả khi vào thời
điểm tần số hệ thống dao động lớn, đạt được yêu cầu của điều độ lên
xuống máy nhanh để đáp ứng nhu cầu phụ tải.
4.2. Giải pháp khắc phụ khuyết điểm trong vấn đề điều tần hệ
thống và ứng nghiệm thực tế
4.2.1.

Khắc phục vấn đề giá trị deadband không đúng yêu cầu

❖ Cải tạo nguyên lý của phần chương trình tính toán ΔF
Giá trị Db trước kia có giá trị là 1% (tương đương 0,5 Hz).



20
thấp nhất trong quá trình điều tần.
Xác định vùng làm việc ổn định của máy phát
Bảng 4. 1. Thông số tương quan Công suất – Độ mở cánh hướng
STT

Độ mở ( %)

Công suất ( MW)

Độ rung OHT/OHD (μms)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

20,51
29,27
37,40
44,47
51,39

Tiến hành lập trình các ngưỡng chặn giới hạn; trước tiên xây
dựng biến “POC;PSP”.

Hình 4. 4. Sơ đồ lập trình giá trị công suất setpoint + bù ΔP điều tần
thêm biến mới


21
Công suất setpoint và cộng bù ΔP trước khi đến khối tích
phân tích hợp để đi làm việc, được giới hạn bởi một logic mới.

Hình 4. 5. Logic chặn giới hạn công suất khi điều tần
4.2.3.

Thử nghiệm thực tế vấn đề điều tần sau khi khắc phục

4.2.3.1. Thay đổi giá trị deadband từ 0,5Hz xuống 0,2Hz
❖ Tại thời điểm 10h11’03’’ đến 10h17’55’’ xãy ra sự kiện điều tần.
4.2.3.2. Thay đổi giá trị deadband từ 0,2Hz xuống 0,1Hz.
❖ Tại thời điểm 12h34’12’’ đến 12h35’16’’ xãy ra điều tần lần 1.
❖ Tại thời điểm 12h39’59’’ đến 12h48’59’’ xãy ra điều tần lần 2.
❖ Tại thời điểm 12h52’37’’ đến 12h55’50’’ xãy ra điều tần lần 3.
❖ Tại thời điểm 13h05’03’’ đến 13h12’46’’ xãy ra điều tần lần 4.
❖ Tại thời điểm 13h15’02’’ đến 13h15’53’’ xãy ra điều tần lần 5.
❖ Tại thời điểm 13h50’57’’ đến 13h53’18’’ xãy ra điều tần lần 6.
4.2.3.3. Kết luận
-

Biên độ dao động công suất lớn nhất vào khoảng 11,5 MW.



vượt dải làm việc ổn định của máy phát.
Xây dựng logic mới cho các giải pháp khắc phục, cài đặt logic
mới cho PLC hệ thống điều tốc.
Tiến hành thử nghiệm thực tế theo yêu cầu của trung tâm điều
độ, kết quả cho thấy hệ thống hoạt động tốt, đủ khả năng đáp ứng yêu
cầu.


23
KẾT LUẬN
Những năm gần đây trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia
đang đẩy mạnh việc kiểm tra, đôn đốc các nhà máy phát điện đưa các
chức năng giúp ổn định hệ thống điện của hệ thống điều tốc vào làm
việc. Điều này là phù hợp với nhu cầu điện năng ngày một cao hiện
nay của đất nước.
Nắm bắt được yêu cầu đó, kèm theo sự tìm tòi nghiên cứu từ
những khuyết điểm của hệ thống điều tốc nhà máy Thủy điện Đồng
Nai 3 sau nhiều năm vận hành đến nay; đề tài xây dựng và đề xuất
các giải pháp nhằm cải thiện và nâng cao khả năng vận hành của hệ
thống điều tốc trong nhà máy mình, đồng thời để đáp ứng được yêu
cầu của hệ thống điện.
Đề tài đã khắc phục được 4 điểm hạn chế là:
-

Quá trình hòa đồng bộ diễn ra khó khăn tại các thời điểm tần số

hệ thống dao động lớn.
-