Nghiên cứu chế tạo hệ thống kích thích cho máy phát điện ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện và thuỷ điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu

BỘ CÔNG THƯƠNG

TỔNG CÔNG TY ĐIỆN TỬ VÀ TIN HỌC VIỆT MAM

CÔNG TY CỔ PHẦN VIETTRONICS ĐỐNG ĐA

BÁO CÁO

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NĂM 2007

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG KÍCH THÍCH CHO MÁY PHÁT

ĐIỆN, ỨNG DỤNG TRONG CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ THỦY

ĐIỆN TRUNG BÌNH VÀ NHỎ, THAY THẾ HÀNG NHẬP KHẨU.

Mã số:195-07RD/2007

Cơ quan chủ trì : Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa

Số 56 - Nguyễn Chí Thanh – q. Đống Đa – tp. Hà Nội.

Chủ nhiệm đề tài : Lưu Hoàng Long - Kỹ sư Điện - Giám đốc Cty.

6803

12/4/2008

HÀNỘI 12.2007

trang 2

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

PSS (Power System Stabilizer) : Bộ ổn định hệ thống nguồn

AVR (Auto voltage regulator) : Bộ điều ổn áp tự động

FCR (Field control regulator) : Bộ điều chỉnh kích từ

THYRISTOR BRIDGE : CẦU THYRISTOR

DIODE BRIDGE : CẦU ĐIỐT

IGBT BRIDGE : CẦU IGBT

MUB : Card đo lường

COB : Card điều khiển

LCP : Panel điều khiển tại chỗ

RCP : Panel điều khiển từ xa

AC : Dòng điện xoay chiều

DC : Dòng điện một chiều

CROWBAR : Mạch diệt từ

trang 3

MỤC LỤC

Trang:

MỞ ĐẦU 6

1. Giới thiệu chung 6

2. Cơ sở pháp lý/xuất xứ của đề tài 7

3. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 7

4. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu 7

5. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và Cơ sở lý

thuyết

7

5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 7

5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 8

5.3 Phương pháp tiến hành nghiên cứu 8

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH 9

I.1. Phân loại kích thích 10

I.2. Xem xét điều khiển kích thích máy phát 14

I.3. Xem xét về mặt điều khiển 16

I.4. Chức năng bảo vệ hệ thống. 17

CHƯƠNG II. KHẢO SÁT LỰA CHỌN MẪU 19

II.1. Giới thiệu hệ thống kích thích UNITROL5000 của hãng ABB: 19

II.2. Đặc điểm kỹ thuật của UNITROL 5000 19

II.3. Cấu hình hệ thống UNITROL 5000 20

II.3.1. Khối chuyển đổi công suất 20

II.3.2. Khối mồi từ (Field Flashing) và diệt từ (Crowbar) 21

II.3.3. Khối điều chỉnh điện áp. 22

II.3.3.1. Chức năng điều chỉnh. 22

II.3.3.2. Chức năng giám sát và bảo vệ. 23

II.3.3.3. Chức năng ghi dữ liệu 23

II.3.3.4. Chức năng giám sát bộ xử lý. 23

II.3.3.5. Chức năng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS). 23

II.3.3.6. Chức năng truyền thông với hệ thống. 24

trang 4

CHƯƠNG III. THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 26

Quy trình công nghệ chế tạo hệ thống điều khiển kích thích tĩnh 26

CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN

TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT SỐ 27

IV.1. Thiết kế mô hình hệ thống 27

IV.1.1. Mục tiêu chung khi thiết kế hệ thống 27

IV.1.2. Quan điểm thiết kế hệ thống 28

IV.1.3. Thông số yêu cầu đáp ứng của hệ thống 29

IV.1.4. Thiết kế mô hình cấu trúc hệ thống 30

IV.1.5. Nguyên lý điện của hệ thống điều khiển kích thích tĩnh 33

IV.2. Nghiên cứu xây dựng phần mềm hệ thống kích thích 34

IV.3. Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống kích thích 52

IV.3.1. Thiết kế chế tạo hệ thống tủ điều khển 52

IV.3.2. Chế tạo card (board) đo lường 57

IV.3.2.1. Đặc điểm của board đo lường: 57

IV.3.2.2. Mô tả: 57

IV.3.2.3. Sơ đồ cấu trúc chung của board đo lường: 58

IV.3.2.4. Mô tả chức năng của các khối: 59

IV.3.2.5. Mô tả DSP TMS320VC5510: 68

IV.3.3. Chế tạo/ tích hợp bộ điều khiển V1000SE (COB) 73

IV.3.2.1. Giới thiệu hệ thống môdul PC104 và các card I/O 74

IV.3.2.2. Mô tả Môdul PPM-GX500 - PC104 module 75

IV.3.2.3. Mô tả Môdul PC104 - PCM-A/D16 78

IV.3.2.4. Mô tả phần màn hình hiển thị LK204-25 của hãng MATRIX ORBITAL 85

IV.3.2.5. Thiết kế tổng thể phần cứng hộp bộ điều khiển 85

IV.3.2.6. Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều

khiển loại V1000SE (COB) 86

IV.3.4. Chế tạo panel hiển thị tại chỗ và từ xa 86

IV.3.4.1. Mô tả phần màn hình hiển thị của hãng MATRIX ORBITAL 90

IV.3.4.2. Mô tả cấu trúc, kích thước bộ điều khiển tại chỗ và từ xa 91

IV.3.4.3. Thuyết minh chức năng đáp ứng về giao diện và phím lệnh của bộ điều

khiển tại chỗ và từ xa loại V1000SE LCP và RCP 91

IV.3.5. Chế tạo/ tích hợp bộ điều khiển công suất 93

trang 5

IV.3.6. Chế tạo/ tích hợp bộ mồi từ 96

IV.3.7. Chế tạo/ tích hợp bộ diệt từ 96

CHƯƠNG V. THỰC NGHIỆM 98

V.1. Thiết bị, dụng cụ, nguyên vật liệu và hoá chất sử dụng cho nghiên

cứu

98

V.2. Lắp ráp chạy thử hệ thống 98

V.3. Hiệu chỉnh hoàn thiện hệ thống 101

V.4. Chạy thủ nghiệm tại nhà máy phát điện 5MW 101

V.5. Kết quả thực nghiệm (nêu rõ các điều kiện tiến hành thực nghiệm

và kết quả đạt được) và thảo luận

101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

1. Kết quả đạt được (kết luận) 106

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo (kiến nghị) 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 108

trang 6

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chung

Làm chủ công nghệ, tính tự động hóa, chất lượng điều khiển, tính ổn định,

hiệu quả kinh tế là các tiêu chí hàng đầu đặt ra cho việc nghiên cứu chế tạo

“Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà máy nhiệt

điện và thủy điện có công suất trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”.

Việc làm chủ công nghệ và chủ động cung cấp các hệ thống điều khiển đồng

bộ bằng nội lực hiện nay là một yêu cầu cấp bách, nhằm nâng cao tỷ trọng nội

địa hoá các sản phẩm sản xuất trong nước. Do chưa làm chủ được công nghệ

thiết kế chế tạo nên phần lớn các hệ thống thiết bị đồng bộ chúng ta vẫn phụ

thuộc vào các tập đoàn Quốc tế. Tỷ trọng phần giải pháp công nghệ, thiết kế

thông thường chiếm từ 30% đến 60%, thậm chí trong một vài dự án cụ thể nó

chiếm tới 80% tổng giá thành của hệ thống thiết bị đồng bộ. Như vậy cho dù

các điều kiện công nghệ sản xuất trong nước chưa cho phép ta sản xuất hết

được các thiết bị điều khiển đòi hỏi công nghệ cao, chúng ta vẫn đạt được tỷ

lệ sản xuất trong nước cao trong các hệ thống thiết bị đồng bộ bằng giá trị

công nghệ, thiết kế trong hệ thống. Bài viết này đề cập về vấn đề nghiên cứu

làm chủ công nghệ thiết kế, tích hợp, chế tạo hệ thống điều khiển đồng bộ về

việc điều khiển kích từ (kích thích) máy phát cho các nhà máy thuỷ điện, nhiệt

điện công suất trung bình và nhỏ.

trang 7

2. Cơ sở pháp lý/xuất xứ của đề tài

Công ty Cổ phần Viettronics Đống Đa là đơn vị thực hiện đề tài khoa học năm 2007

Theo hợp đồng số 195-07RD /HĐ-KHCN, ký ngày 01 thánđg 03 năm 2007 về việc

“NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ”

với nội dung

“Nghiên cứu chế tạo Hệ thống kích thích cho máy phát điện, ứng dụng trong các nhà

máy nhiệt điện và thủy điện trung bình và nhỏ, thay thế hàng nhập khẩu”.

Giữa bên giao là Bộ Công nghiệp và bên nhận là Công ty Cổ phần Viettronics Đống

Đa.

3 .Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

9 Thay thế hàng ngoại nhập với chất lượng tương đương.

9 Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ.

9 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo tiên tiến, đảm bảo tính khả thi.

4. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu

9 Nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển kích thích máy phát điện.

9 Thiết kế chế tạo một hệ thống điều khiển công nghiệp trên cơ sở kết hợp thiết kế chế

tạo ra các khối đo lường kỹ thuật số, khối mạch công suất, bảo vệ … từ những linh

kiện rời (Chíp DSP xử lý tín hiệu số - DS1609; DSP TMS320VC5510;

DSP56303PV100, Dualport RAM - IDT 71342SA, EEPROM nhớ chương trình -

M29F040B-70K6 & AM29F040-120JC, RAM cho dữ liệu - K6R1008V1C-JC12,

Thạch anh 32MHz - SG-615PH C 32.0000M…) và ứng dụng các bộ điều khiển tiên

tiến chuyên dùng cho công nghệp thuộc dòng PC104.

9 Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế hệ thống.

9 Thử nghiệm thực tế hệ thống cho ngành điện nói chung, nhà máy điện công suất

5MW nói riêng.

5.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và Cơ

sở lý thuyết

5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hệ thống kích thích cho máy phát điện trung bình, nhỏ đã được nghiên cứu, chế tạo từ

rất lâu tại các nước phát triển. Một số hang chế tạo hệ thống điều khiển kích thích nổi

tiếng trên thế giới như: ABB, AREVA, BASLER, VATech…

trang 8

Cho đến nay các giải pháp về điều khiển kích thích cho nhà máy điện đã gần như hoàn

thiện, không những hoàn thiện về tính năng và chất lượng điều khiển mà còn đáp ứng

các tính năng liên quan khác như quản lý giám sát từ xa, thu thập và lưu giữ dữ liệu,

kiểm soát ghi lại các trạng thái sự cố, giao diện thân thiện hơn…

5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Các hệ thống kích thích cho các nhà máy điện hiện nay chủ yếu vẫn là nhập khẩu với

giá thành cao, thời gian nhập khẩu kéo dài nhiều tháng, việc cài đặt hiệu chỉnh cũng

phải thuê chuyên gia, giá công cao tính theo giờ.

Trong khi đó nhu cầu về việc xây dựng các nhà máy phát điện ngày càng nhiều, theo

quy hoạch phát triển ngành điện đến năm 2010 nước ta cần phải xây dựng 50 nhà máy

điện các loại.

Hiện nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, cũng như việc hội nhập của Việt

Nam. Để chủ động về công nghệ cũng như kết hợp đội ngũ kỹ sư sẵn có chúng ta hoàn

toàn có thể nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phục vụ cho

các nhà máy điện thay thế các thiết bị nhập ngoại, đảm bảo đáp ứng thời gian cung cấp,

bảo hành thiết bị kịp thời.

Làm chủ công nghệ để chủ động trong thiết kế, chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ nói

chung và hệ thống điều khiển đồng bộ nhà máy thuỷ điện nói riêng là một đòi hỏi cấp

bách hiện nay, nó vừa là cơ hội và cũng là thử thách đối với các đơn vị chế tạo trong

nước. Việc chế tạo được tất cả các thiết bị công nghệ cao để nâng cao tỷ lệ sản xuất

trong nước và chủ động trong việc thiết kế chế tạo các hệ thống thiết bị đồng bộ là

mong muốn của toàn Đảng, toàn dân ta trong giai đoạn hiện nay. Trình độ công nghệ

chế tạo trong nước chưa cho phép chúng ta sản xuất hết được các thiết bị đòi hỏi công

nghệ, nghiên cứu cơ bản rất cao như các thiết bị PLC, PC thiết bị đo lường đặc biệt...

để đạt tiêu chuẩn quốc tế với giá thành cạnh tranh thì giải pháp thiết kế tích hợp và lập

trình điều khiển để chủ động cung cấp các hệ thống thiết bị đồng bộ là giải pháp tốt nhất

hiện nay. Nếu làm được như vậy thì tỷ lệ nội địa hoá các hệ thống thiết bị đồng bộ đã

đạt trên 50%, mặc dù chúng ta chưa chế tạo được các thiết bị công nghệ cao.

5.3 Phương pháp tiến hành nghiên cứu

9 Khảo sát mẫu nhập ngoại

9 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kích thích phù hợp với điều

kiện các nhà máy điện trong nước.

9 Thử nghiệm hệ thống tại nhà máy điện 5MW và kiểm định các thông số kỹ thuật.

trang 9

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KÍCH THÍCH

Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngoài việc phải có động cơ sơ cấp kéo, còn

phải có dòng điện kích thích. Dòng điện kích thích là một dòng điện một chiều, được

đưa vào Rôto của máy phát để kích thích từ trường của Rôto máy phát.

Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều này gọi chung là hệ thống kích thích máy

phát Dòng điện kích thích máy phát, ngoài việc tạo từ trường cho Rôto, còn có thể dùng

để điều chỉnh điện áp máy phát theo giá trị danh định hoặc theo giá trị đặt để hòa lưới.

Ngoài ra, dòng điện này còn điều chỉnh công suất vô công của máy phát khi máy phát

đã hòa vào lưới.

Để có thể thay đổi trị số của dòng điện kích thích nhằm đáp ứng được các yêu cầu trên,

cần phải có một bộ phận điều khiển. Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích

thích gọi là hệ thống điều khiển điện áp, hay còn gọi tắt là bộ điều áp.

Hệ thống kích thích, với chức năng cung cấp dòng kích thích cho máy điện đồng bộ bao

gồm tất cả, công suất, sự điều chỉnh và bảo vệ để điều chỉnh ổn định điện áp đầu cực

máy phát, ra đời và phát triển cùng với máy điện đồng bộ với các tính năng ngày càng

hiện đại và đáp ứng yêu cầu cao về ổn định điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn

[IEEE std 421.4 - 2004].

Hình I.1: Sơ đồ khối hệ thống kích từ và điều khiển kích từ

Hệ thống điều khiển kich từ là một bộ điều khiển hồi tiếp bao gồm máy phát điện và hệ

thống điều khiển kích thích của nó. Thông qua điện áp cảm nhận được từ đầu cực máy

phát, hệ thống điều khiển kích thích sẽ cấp dòng kích thích phù hợp đến cuộn dây kích

thích máy phát để ổn định điện áp đầu cực máy phát theo giá trị mong muốn.

Khi máy phát điện hoạt động song song với các máy phát điện khác hoặc nối lưới, điện

áp đầu cực máy phát là do lưới quy định, trong trường hợp này chức năng chính của hệ

thống điều khiển kích thích là cung cấp dòng kích thích cho máy phát điện đồng bộ để

giữ công suất cảm kháng trên lưới, từ đó ổn định điện áp đầu cực máy phát.

trang 10

I.1. Phân loại kích thích

Căn cứ vào cách tạo ra dòng kích thích cung cấp cho dây quấn kích thích, nguời ta chia

hệ thống kich từ thành hai nhóm chính: Hệ thống kích thích quay xây dựng trên các bộ

kích thích quay một chiều DC (DC Exciter), bộ kích thích quay xoay chiều AC (AC

Exciter) và hệ thống kích thích tĩnh xây dựng trên các bộ kích thích tĩnh (Static Exciter).

Bộ kích thích AC và DC được xây dựng trên cơ sở sử dụng các máy phát điện một

chiều (DC Exciter) hoặc xoay chiều có chỉnh lưu (AC Exciter) gắn đồng trục của Rotor,

quay đồng bộ với Rotor để cấp dòng cho dây quấn kích thích.

Bộ kích thích tĩnh (Static Exciter) đặt độc lập với máy phát, cấp dòng kích thích cho dây

quấn kích thích qua cơ cấu chổi quét vòng góp điện. Dòng kích thích của bộ kích thích

tĩnh được lấy từ đầu cực máy phát thông qua khối cầu chỉnh luư Thyristor có điều khiển.

a) Hệ thống kích thích một chiều (DC)

Ngày nay, bộ kích thích DC vẫn còn được sử dụng ở nhiều máy phát đồng bộ

(Synchronous Generator-SG) có công suất thấp hơn 100MVA. Nó được cấu tạo gồm

hai máy phát điện một chiều kiểu vành góp điện DC (DC commutator electric generator)

đóng vai trò là: Bộ kích thích chính (Main Exciter- ME) và bộ kích thích bổ trợ (Auxiliary

Exciter- AE) gắn đồng trục và quay đồng bộ với Rotor máy phát.

Hinh I.2: Hệ thống kích thích một chiều

Khi Rotor quay, máy phát điện AE sẽ tạo ra dòng điện cấp cho máy phát điện ME. Tới

lượt mình, ME sẽ tạo ra dòng một chiều cấp cho dây quấn kích thích máy phát để tạo ra

sức điện động cảm ứng trên đầu cực máy phát. Bộ kích thích DC được điều khiển bởi

AVR thông qua điện áp điều khiển Vcon.

Hệ AE và ME đóng vai trò như một bộ khuyếch đại công suất với hệ số khuyếch đại lên

tới 600/1 (20.30), do vậy ta chỉ cần công suất thấp để cấp cho bộ kích thích. Tuy nhiên

lợi thế này bị trả giá bởi:

- Đáp ứng thời gian chậm, mà nguyên nhân là hằng số thời gian ở cuộn dây kích

thích ở ME và AE lớn.

- Vấn đề ăn mòn chổi quét ở ME và AE