Nghiên cứu xây dựng panel giám sát và điều khiển quy trình công nghệ cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

bộ công thơng
Trờng Cao đẳng công nghiệp việt hung



Báo cáo
đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ
đề tài:
NGHIấN CU XY DNG PANEL GIM ST
V IU KHIN QUI TRèNH CễNG NGH
CHO NH MY THU IN VA V NH

chủ nhiệm đề tài: Ths. nguyễn việt dũng
tham gia thực hiện: Ths. Khuất quang tuấn
Ths. Nguyễn hữu sơn
ts. Ngô duy hng


7630
01/02/2010
hà nội 12- 2009
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

1

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI:“NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
PANEL GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHO
NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ ’’












ti nghiờn cu khoa hc cp B
B Cụng Thng- Trng CCN Vit Hung

2
Mở đầu

1. Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

S phỏt trin nhanh chúng ca khoa hc k thut, cụng ngh thụng tin v cỏc
chng trỡnh in toỏn ó lm thay i v phỏt trin ton b h thng kinh t quc
dõn trờn ton th gii.
Vi s phỏt trin nhanh nn kinh t, cỏc h thng thu thp, giỏm sỏt, x lý d
liu v iu khin cỏc quỏ trỡnh cụng nghip Scada (Supervisory Control And Data
Acquision) ó xut hin ngy cng nhiu trong cỏc lnh vc nh cụng-nụng
nghip, khoa hc v
tr, hng khụng, cụng ngh sinh hc, y hc, mụi trng v
nhiu lnh vc khỏc.
Ngy nay, cỏc thnh tu trong lnh vc t ng hoỏ v cụng ngh thụng tin ó
c nhanh chúng ng dng trong h thng t ng iu khin trm phỏt in.
Ban u, h thng t ng iu khin trm phỏt in s dng cỏc phn t t ng
kiu i
n t, sau ú s dng cỏc phn t bỏn dn, vi mch v hin nay ó s dng
h thng iu khin s. Nh ng dng k thut vi x lý m ngi ta ó ch to th
h nh mỏy thu in c t ng hoỏ cao, thụng minh, cú kh nng thớch nghi
vi mụi trng lm vic v vn hnh ti u trong mi ch lm vic. Đề tài:

NGHIấN CU XY DNG PANEL GIM ST V IU KHIN
QUI TRèNH CễNG NGH CHO NH MY THU IN VA V
NH thc hin xõy dng mụ hỡnh mụ phng cu trỳc ca mt trm phỏt
in trong nh mỏy thu in va v nh.
2 . Mc ớch ti
- Nghiờn cu kho sỏt thc trng h thng thit b in v thit b t ng
húa 3 nh mỏy thy in khu vc phớa bc.
- Nghiờn cu v cỏc h thng t ng húa trong nh mỏy thy in
- Nghiờn cu, thit k, ch to b thớ nghim mụ hỡnh nh mỏy thy in
va v nh
.
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ

Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

3
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển giám sát SCADA nhà máy thủy điện
vừa và nhỏ.
- Thiết kế chế tạo bo mạch điều khiển kích từ máy phát điện trong phòng
thí nghiệm
- Viết phần mềm điều khiển giám sát (SCADA) mô hình nhà máy thủy
điện trên máy tính.
- Viết phần mềm điều khiển mô hình nhà máy thủy điện dùng PLC.

3. Nộ
i dung
Thuyết minh đề tài gồm các nội dung sau :
- Mở đầu
- Các kết quả chính
• CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT PHẦN ĐIỆN CỦA 3
NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ THUỘC KHU VỰC
MIỀN NÚI PHÍA BẮC
• CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ KỸ THUẬT VÀ THIẾT BỊ TỰ
ĐỘNG TRONG NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
• CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐI
ỀU KHIỂN GIÁM
SÁT SCADA NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
• CHƯƠNG 4:THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN
KÍCH TỪ MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM
• CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỆ THÍ
NGHIỆM MÔ HÌNH NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
• CHƯƠNG 6: PHẦN MỀM GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO
MÔ HÌNH NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN

- Kết lu
ận
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

4












CÁC KẾT QUẢ CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

5
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT PHẦN ĐIỆN CỦA 3 NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN
VỪA VÀ NHỎ THUỘC KHU VỰC MIỀN NÚI PHÍA BẮC
Để khai thác tiềm năng thuỷ điện ở miền núi phía Bắc, Nhà nước đã và đang
có những chính sách ưu tiên về nguồn vốn và cơ chế, cho phép các tổ chức kinh tế
tư nhân có thể tham gia đầu tư xây dựng và phát triển hàng loạt nhà máy thuỷ đi
ện

với công suất từ vài trăm KW đến hàng chục MW. Các Dự án thuỷ điện vừa và
nhỏ này chủ yếu nằm ở các tỉnh miền núi như Lào cai, Yên Bái, Hà Giang, Tuyên
Quang, thuộc biên giới phía Bắc. Mục tiêu là sản xuất điện bán cho các hộ tiêu
thụ điện tại các địa phương thông qua mạng lưới điện quốc gia đang được phát
triển tới tận các xã, các bản thuộc các tỉ
nh này.
Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát ở 3 nhà máy hiện đang phát điện vào
lưới hệ thống điện quốc gia hoặc đang trong giai đoạn đầu tư xây dựng, đó là:
Thuỷ điện Suối Trát (huyện Bảo Thắng, tỉnh Lào Cai, công suất 2,4MW), Thuỷ
điện Thải Giàng Phố (thị trấn Bắc Hà, huyện Bắc Hà, tỉnh Lào Cai, công suất
1,5MW), Thuỷ điện Thanh Thuỷ (gồm 2 nhà máy: Thanh Thu
ỷ bậc 1 công suất
11MW và Thanh Thuỷ bậc 2 công suất thiết kế 9MW, đặt cách nhau 5km thuộc
địa phận gần cửa khẩu Thanh thuỷ, tỉnh Hà giang).
1.1. THUỶ ĐIỆN SUỐI TRÁT
1.1.1. Mô tả chung
Thuỷ điện Suối Trát thuộc huyện Bảo Thắng, tỉnh Lào Cai, có công suất
thiết kế 2,4MW do chủ đầu tư là Công ty TNHH Thái Bình Minh xây dựng từ năm
2007, hiện nay đã bắt đầu phát điện ổn đị
nh vào lưới điện quốc gia với công suất
đạt 2,4MW vào mùa mưa (từ tháng 4 đến tháng 9), từ 0,8 – 1,2 MW vào mùa khô.
Nhà máy do Trung quốc cung cấp thiết bị chính và lắp đặt. Đây là nhà máy kiểu
ống dẫn gồm hệ thống đập chắn mương dẫn nước, cửa nhận nước và đường ống
dẫn tới 3 tuốc- bin thuỷ lực kiểu Francis trục ngang, máy phát điện là 3 máy phát
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

6
đồng bộ trục ngang có công suất mỗi máy 800KW (tổng 3 máy là 2.400KW),
Cosφ =0,8, điện áp 6,3 KV nối Y, kích từ kiểu tĩnh, máy điều chỉnh điện áp là loại

tĩnh, ứng dụng kỹ thuật số với bộ kích từ gồm máy biến áp kích từ và bộ chỉnh lưu
có điều khiển dùng thyristor. Máy điều tốc và ổn định tần số dùng loại điện thuỷ
lực kỹ thuật số. Cả hai thiết bị trên cho phép kết nối với mạng SCADA điều khiển
toàn nhà máy.
Theo sơ đồ nối điện chính nhà máy được thiết kế gồm 3 hợp bộ đơn, với
mỗi bộ đơn là 1 máy phát + 1 máy biến áp tăng áp có dung lượng 1.000KVA điện
áp 6,3/35 KV nối tam giác/sao. Các bộ đơn kết nối lên thanh cái 35KV của nhà
máy và từ thanh cái 35KV qua đường dây xuất tuyến 35KV (trung tính cách ly)
dài 3,5km, loại mạch
đơn, dây AC - 95, cột BTLT cao 12-18m.
Trạm đo đếm điện năng được đặt tại điểm kết nối với lưới HTĐ cách thanh
cái 35 KV của nhà máy 3,5km. Trạm được thiết kế kiểu treo gồm hệ thống đo đếm
chính và hệ thống đo đếm dự phòng dùng thiết bị đo qui chuẩn kiểu kỹ thuật số, có
thể kết nối vào mạng SCADA của nhà máy và mạng SCADA củ
a HTĐ khu vực.
Để kết nối với lưới HTĐ ngoài trạm đo đếm, đường dây xuất tuyến 35KV,
máy biến áp tăng, các thiết bị đóng cắt (máy cắt 35KV lộ tổng, máy cắt 35KV các
hợp bộ). Các thiết bị đo lường điều khiển ở lộ tổng còn cần có thiết bị hoà điện.
Thiết bị hoà điện của nhà máy là loại kỹ thuậ
t số do Trung quốc chế tạo, mạch hoà
điện được thực hiện tại máy cắt 35KV lộ tổng lấy tín hiệu từ máy biến áp đo lường
ở đầu ra 6,3KV của máy phát và máy biến áp đo lường trên thanh cái 35KV của
nhà máy (có biến áp dịch pha). Ngoài ra, ở lộ tổng (máy cắt lộ tổng) cũng được
trang bị Rơle đồng bộ kỹ thuật số dùng cho việc đóng máy cắt lộ tổng có ki
ểm tra
đồng bộ.
Điện tự dùng của nhà máy cung cấp cho các thiết bị phục vụ cho quá trình
công nghệ , điều khiển các hệ thống làm mát, cung cấp nguồn cho mạch lực, mạch
bảo vệ, mạch chiếu sáng và mạch điều khiển các máy cắt, động cơ cần cẩu, máy
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ

Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

7
bơm nước, động cơ thuỷ lực, thiết bị nạp ác qui, v.v có tổng công suất điện tự
dùng tính toán là 100KW. Nguồn điện tự dùng được cung cấp từ một trong hai
máy biến áp: Máy biến áp (TD1) loại 35/0,4 KV, 120KVA lấy điện từ thanh cái
35KV của nhà máy. Máy biến áp (TD2) loại 6,3/0,4 KV, 120 KVA lấy điện từ đầu
cực máy phát.
1.1.2. Mạng SCADA và phương thức điều khiển qui trình công nghệ của
nhà máy
Mạng gồm 1 máy tính chủ đặt ở phòng đìều khiển trung tâm nhà máy liên
kết và trao đổi thông tin với PLC đặt tại các tổ máy và 1 PLC điều khiển lộ tổng và
cửa nhận nước.
Nhiệm vụ:
a. Thu thập các dữ liệu, thông số, trạng thái vận hành tại các tổ máy phát,
cửa nhận nước, lộ tổng. Tại các tổ máy cần các dữ liệu về : dòng điện, điện áp,
công su
ất, tần số, cosϕ của máy phát và các thông số của hệ kích từ gồm: điện
áp kích từ, dòng điện kích từ, nhiệt độ của kích từ, nhiệt độ các ổ bi, trạng thái
đóng cắt của máy cắt, v.v. Ngoài ra còn thu thập thông số về lượng điện năng tác
dụng và điện năng phản kháng phát vào lưới của mỗi tổ máy.
Cửa nhận nước: là các thông tin về : trạng thái
đóng mở, vị trí thực tế của cửa
nhận nước, cửa xả, thông tin về nguồn nước.
Tại lộ tổng: Công suất tác dụng, công suất phản kháng, dòng điện, điện áp,
tần số, điện năng phát và điện năng tiêu thụ, trạng thái của máy cắt, thanh cái,
đường dây xuất tuyến, thông tin về lưới hệ thống điện tại điểm k
ết nối.
b. Truyền tải và lưu giữ các thông tin tại máy chủ và truyền tải các lệnh
đóng cắt, điều khiển tăng giảm tới các đối tượng.

Điều khiển các tổ máy, đóng mở và tăng giảm lượng mở tại cửa nhận nước
được thực hiện trực tiếp (tại chỗ) hoặc gián tiếp (điều khiển từ xa). Trong đó việc
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

8
điều khiển trực tiếp bằng tay tại các tổ máy chủ yếu dùng trong quá trình khởi
động, chỉnh định, vận hành thử hoặc kiểm tra định kỳ các tổ máy.
Các hình vẽ sơ đồ điện của nhà máy gồm:
- Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển toàn nhà máy
- Sơ đồ nối điện chính
- Sơ đồ hệ thống thiế
t bị bảo vệ và đo lường
- Sơ đồ mạch điện tự dùng xoay chiều
- Sơ đồ phát công suất
1.1.3. Một số hình ảnh về nhà máy thuỷ điện Suối Trát

H-1.1 :Nơi thi công thuỷ điện
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

9

H-1.2 :Đang lắp ráp các thiết bị

H-1.3:Thiết bị đã lắp ráp xong

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

10
1.2. THUỶ ĐIỆN THẢI GIÀNG PHỐ
1.2.1. Mô tả chung
Địa điểm của nhà máy thuộc khu vực thị trấn Bắc Hà, huyện Bắc Hà, tỉnh
Lào Cai:
Công suất thiết kế: 1,5MW
Số lượng tổ máy: 03.
Công suất tổ máy: 0,5 MW
Thuỷ điện Thải Giàng Phố được nâng cấp từ nhà máy cũ (từ công suất
0,5MW lên 1,5MW). Khi tới khảo sát tại nhà máy thì việc nâng cấp và lắp đặt thiết
b
ị công nghệ, thiết bị điện vừa hoàn thành, nhà máy đang chạy thử, chỉnh định và
hoàn thiện. Đến nay, nhà máy đã xong giai đoạn chạy thử và phát điện vào lưới hệ
thống điện quốc gia. Sơ đồ nối điện chính của nhà máy được trình bày trên hình
dưới đây:
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

11

H-1.4: Sơ đồ nối điện chính
Nhà máy gồm 1 bộ đơn với việc ghép nối máy phát 0,5MW với máy biến áp
tăng áp 6,3/35KV, dung lượng 650 KVA và 1 bộ kép kết nối 2 máy phát với tổng
công suất 1MW và máy biến áp 6,3/35KV, dung lượng 1.200KVA.
Cấu trúc này chủ yếu phù hợp với tuyến dây trên không kết nối với lưới hệ
thống điện và khuôn viên trạm biến áp ngoài trời của nhà máy (cho phép lắp đặt

đến 2 máy biến áp tăng áp).Sơ
đồ phát công suất của nhà máy được trình bày dưới
đây:
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

12

H-1.5: Sơ đồ phát công suất
1.2.2. Các thiết bị điện chính
Các thiết bị điện chính do Trung quốc sản xuất và lắp đặt.
a. Tuabin: Dùng loại Francis trục ngang công suất 0,6MW, tốc độ 1.000
vòng/ phút. Máy điều tốc tự động kiểu điện thuỷ lực ứng dụng kỹ thuật số.
Các tổ máy có cùng kiểu nên thuận lợi cho lắp đặt, vận hành và thay thế.
b. Máy phát đi
ện: Tốc độ 1.000 vòng/ phút, điện áp 6,3KV, dây quấn 3 pha
nối Y trung tính cách ly.
Hệ kích từ kiểu tĩnh dùng chỉnh lưu có điều khiển với máy biến áp kích từ
được nối với đầu cực 6,3 KV của máy phát. Điện áp ra của máy kích từ ở chế độ
định mức cỡ 220V với dòng điện 120A, công suất máy kích từ đến 24KW có thể
dùng cho dòng kích từ max đến 180A.
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

13
Khi khởi động nguồn kích từ ban đầu được cấp từ hệ thống ắc- qui có điện
áp 200V, dung lượng 200Ah.
Kèm theo mỗi máy phát có tủ kích từ, tủ máy cắt, tủ trung tính, tủ bảo vệ
Rơle và đo lường, tủ điều khiển tại chỗ, tủ đặt máy biến dòng, tủ đặt máy biến điện
áp

c. Trạm biến áp tăng áp: Kiểu ngoài trời. Trạm g
ồm 2 máy biến áp tăng loại
650KVA và 1.200 KVA, hệ thống thanh cái 35KV, máy biến áp tự dùng 80KVA
35/0,4. Tủ kiểu treo điều khiển đóng cắt, kết nối với thiết bị đo lường điều khiển
các máy cắt đặt ngoài trời.
Trạm biến áp tăng áp và các thiết bị trong trạm được thiết kế, lắp đặt trên cơ
sở sử dụng các thiết bị điện trong nước.Các thi
ết bị này có thể điều khiển đóng cắt,
bảo vệ cho lộ tổng chủ yếu thực hiện tại chỗ hoặc từ xa nhưng ở mức hạn chế.
1.2.3. Hệ thống thiết bị đo lường, bảo vệ, đóng cắt, điều khiển
Tại các tổ máy phát thiết bị đo dòng điện, điện áp, công suất, tần s
ố cho máy
phát chính được lấy tín hiệu từ thứ cấp của máy biến áp đo lường, máy biến dòng
điện lắp tại các tủ đo lường. Tín hiệu đo đồng thời được cung cấp cho các Rơle
bảo vệ: quá dòng, quá áp, thấp áp, bảo vệ so lệch cho máy phát, máy biến áp tăng
áp. Các thiết bị này đều thuộc thế hệ mới dùng kỹ thuật số và được kết nối vào hệ
thố
ng điều khiển giám sát chung nhờ đó tác động điều khiển có thể từ xa qua mạng
tín hiệu đến tất cả các tổ máy, đến các chức năng điều khiển riêng biệt như điều
khiển kích từ, điều khiển đóng cắt máy cắt, điều chỉnh ổn định điện áp, ổn định tần
số, điều chỉ
nh công suất, hoà điện. Ngược lại, mọi thông tin về tín hiệu đo cũng
được truyền về hệ thống điều khiển trung tâm cũng như có thể sử dụng được ngay
tại tổ máy. Điều khiển đóng cắt các máy cắt dùng hệ thống nguồn 1 chiều 220V.
Nguồn điện này được coi là nguồn liên tục do hệ thống ac- qui hoặc hệ thống các
máy biến áp tự
dùng qua chỉnh lưu nạp cho ac- qui.
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

14
1.2.4. Hệ thống tự động hoá và các thiết bị tự động
Thuỷ điện Thải Giàng Phố được trang bị các thiết bị tự động hiện đại cho
phép kết nối với mạng SCADA và mang đầy đủ đặc trưng của một nhà máy hiện
đại. Máy điều tốc kỹ thuật số, thiết bị điều chỉnh điện áp AVR kỹ thuật s
ố, các
thiết bị rơle, đồng hồ, hoà điện đều là thiết bị kỹ thuật số. Nhờ đó điều khiển vận
hành nhà máy chỉ cần nhóm chuyên gia về cơ khí thuỷ công, điện tự động hoá,
mạng và một số nhân viên kỹ thuật.
a. Hệ thống tự động hoá của nhà máy bao gồm các thiết bị:
-Hệ thống thiết bị tự
động ổn định tần số và điều khiển công suất tác dụng.
- Hệ thống thiết bị tự động ổn định điện áp và điều chỉnh công suất phản
kháng.
-Hệ thống thiết bị hoà điện.
Việc hoà điện tại các tổ máy phát thuỷ điện được thực hiện bằng thiết bị tự
hoà điện ho
ặc thiết bị hoà điện chính xác
b. Chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát:
-Điều khiển tổ máy: Được thực hiện hoặc là từ phòng điều khiển trung tâm
hặc từ tủ điều khiển tại chỗ\
- Khởi động và dừng tổ máy ở chế độ làm việc bình thường ( bằng tay hoặc
tự động) và ngừng tổ máy khi có s
ự cố
- Điều chỉnh điện áp và công suất vô công
- Điều chỉnh tần số và công suất tác dụng
- Thực hiện hoà đồng bộ tự động hoặc bằng tay
Ngoài ra hệ thống điều khiển giám sát còn phải tự động ghi nhập, liệt kê, in
tự động hoặc bằng tay các dữ liệu được truyền qua máy tính từ các nơi về như:
mực nước ở

thượng, hạ lưu, lưu lượng qua tổ máy
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

15
Tất cả các quá trình tự động hoặc bán tự động đều được thực hiện trên hệ
thống đo lường và xử lý tín hiệu ( SCADA) các bộ PLC, các modul vào/ra và hệ
thống máy tính. Việc điều khiển tự động toàn nhà máy thực hiện tại máy tính điều
khiển trung tâm thông qua mạng kết nối theo cấu trúc phân cấp (có thể coi là 3
cấp: cấp nhà máy, cấp nhóm hoặc tổ máy và cấp trực tiế
p tại đối tượng điều
khiển). Tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tại chỗ (trực tiếp tại đối tượng), điều này
phù hợp với thực tế các nhà máy thuỷ điện nhỏ hiện nay nhằm tăng tính linh hoạt
trong vận hành.
1.2.5. Một số hình ảnh về nhà máy

H-1.6:Tủ giám sát của nhà máy
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

16

H-1.7: Tủ giám sát và điều khiển


H-1.8: Hệ thống thiết bị đầu ra
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

17

H-1.9:Trạm biến áp
Một số sơ đồ mạch điện của nhà máy điện Thải Giàng Phố được thể hiện
trong các hình vẽ :
- Sơ đồ nguyên lý hệ thống bảo vệ Rơle và đo lường
- Sơ đồ tự dùng điện xoay chiều
- Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển toàn nhà máy






Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

18
1.3. THUỶ ĐIỆN THANH THUỶ
Nhà máy thuỷ điện Thanh Thuỷ gồm có hai nhà máy
- Thanh Thuỷ bậc 1 : Công suất 11MW. Vị trí nhà máy thuộc địa phận xã
Thanh Đức- Hà Giang
- Thanh Thuỷ bậc 2: Công suất 9MW.Vị trí nhà máy cách Thanh Thuỷ bậc 1
là 5Km, cách TBA Hà Giang là 22Km
Dự án thuỷ điện Thanh thuỷ đang trong giai đoạn thi công phần xây dựng.
Về cơ bản, các thiết bị điện chính, hệ thống các thiết bị tự dùng, thi
ết bị bảo vệ
rơle và đo lường, thiết bị tự động hoá, mạng thu thập dữ liệu, v.v. đến các thiết bị
đóng cắt của lưới 6,3KV cũng do Trung quốc chế tạo, hoàn toàn tương đương như
ở thuỷ điện Suối Trát và thuỷ điện Thải Giàng Phố.
Một số sơ đồ mạch điện của nhà máy điện Thanh Thuỷ

bậc hai được thể
hiện trong các hình vẽ sau:
- Sơ đồ nối điện chính
- Sơ đồ nguyên lý hệ thống bảo vệ Rơle và đo lường
- Sơ đồ phát công suất








Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

19
1.4. NHẬN XÉT
Nhà máy thủy điện là một nhà máy điện biến đổi năng lượng cơ của nước
thành năng lượng điện. Gần 18% năng lượng điện trên toàn thế giới được sản xuất
từ các nhà máy thủy điện. Tại Việt Nam vai trò của nhà máy thủy điện là rất quan
trọng. Nhà máy thủy điện Hòa Bình là nguồn cung cấp điện chính cho
đường dây
điện cao thế 500 kv Bắc-Nam.
Ngày nay nhà nước ta đang khuyến khích phát triển các nhà máy thủy điện vừa
và nhỏ nhằm bổ sung nguồn năng lượng điện cho quốc gia. Trên cơ sở nghiên cứu
qui trình hoạt động và các thiết bị tự động trong 3 nhà máy thủy điện vừa và nhỏ
khu vực miền núi phía Bắc ta thấy các nhà máy đều vừa mới xây dựng hoặc nâng
cấp từ nhà máy cũ lên. Vì v
ậy nhìn chung các thiết bị điện trong các nhà máy này

đều do Trung Quốc sản suất và được lắp ráp đồng bộ. Quy trình hoạt động của các
nhà máy này đều áp dụng các công nghệ tiên tiến hiện đại như các hệ thống điều
khiển tự động, mạng điều khiển và giám sát SCADA nhằm đảm bảo chất lượng
điện năng phát ra.
Trên cơ sở kế thừa các qui trình công nghệ hiện đại trong các nhà máy th
ủy
điện vừa khảo sát. Đề tài sẽ thực hiện mô phỏng qui trình hoạt động của nhà máy
thủy điện và thực hiện điều chỉnh tự động ổn định các thông số như điện áp, tần số,
công suất phản kháng, công suất tác dụng thông qua bộ điều khiển PLC. Ngoài ra
đề tài sẽ sử dụng mạng điều khiển và giám sát SCADA có kết nối truyề
n thông
với PLC để điều khiển và giám sát các thông số của máy phát
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

20
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU VỀ KỸ THUẬT VÀ THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG TRONG NHÀ
MÁY THUỶ ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

2.1. NHIỆM VỤ ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY ĐIỆN
Để các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ phát ra điện áp đủ các chỉ tiêu chất
lượng điện áp thì trước hết cần phải có các thiết bị tự động ổn định tần số, tự động
ổn định điện áp ,điều chỉnh lượng công suất tác dụng, công suất phản kháng phát
vào lưới hệ
thống điện. Tiếp theo là thiết bị và kỹ thuật hoà điện. Ngoài các nội
dung tự động hoá chủ yếu nêu trên còn có rất nhiều các nhiệm vụ khác như: bảo vệ
các thiết bị chính (tuốc- bin, máy phát, máy biến áp tăng áp, máy biến áp tự dùng,
các máy cắt, ), đo lường, hiển thị, lưu giữ thông tin về trạng thái vận hành bình
thường, cảnh báo sự cố và đặc biệt là hệ thống thu thập d

ữ liệu phục vụ cho điều
khiển tự động mọi chức năng và tham số cho nhà máy điện theo những cấp độ
khác nhau.
2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN
Các ưu điểm của nhà máy thuỷ điện và công nghệ sản xuất điện năng ở các
nhà máy này thể hiện ở chỗ:
- Công nghệ sản xuất s
ạch, không gây ô nhiễm môi trường.
- Giá thành điện năng rẻ.
- Tính linh hoạt cao: thể hiện ở khả năng thay đổi công suất phát vào lưới
thuận tiện, thời gian khởi động và kết nối với lưới nhanh, công suất thiết
kế của nhà máy thuỷ điện rất rộng, từ một vài KW đến hàng nghìn MW.
- Tính ổn định về tần số và điện áp tốt.
- Vị trí của các nhà máy thuỷ điện thường ở vùng rừng núi nơi có nhiều
rừng cây, sông suối với lượng mưa, độ dốc và thường ở xa thành phố, đô
thị, khu công nghiệp- nơi có nhu cầu sử dụng điện năng lớn.
Các hạn chế:
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

21
- Có thể làm xấu môi trường sinh thái như việc biến nhiều bản làng, rừng
cây, thung lũng màu mỡ thành hồ nước, phát sinh lũ lụt hoặc cạn kiệt
nguồn nước
- Chi phí đầu tư ban đầu lớn: bao gồm cả chi phí xây dựng nhà máy,
đường dây tải điện để truyền tải điện năng sản xuất từ nhà máy tới các
trung tâm phụ tải.
- Phụ
thuộc nhiều vào mùa: mùa mưa, mùa khô, khí hậu hàng năm. Vào
mùa mưa có thể quá thừa nước gây lũ quét, ngập lụt. Mùa khô có thể làm

tăng sự cạn kiệt nguồn nước.
2.3 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NHÀ MÁY THUỶ
ĐIỆN
Cũng như các nhà máy điện khác, kỹ thuật tự động trong nhà máy thuỷ điện
cần phải đáp ứng được yêu cầu điề
u khiển tự động ổn định điện áp và điều chỉnh
công suất phản kháng, ổn định tần số và điều chỉnh công suất tác dụng, hoà đồng
bộ tại các tổ máy phát điện trong nhà máy điện. Hiện nay, yêu cầu hiện đại hoá
quá trình điều khiển và yêu cầu nâng cao chất lượng điện năng dẫn đến việc xây
dựng hệ thống thu th
ập dữ liệu và thực hiện điều khiển toàn nhà máy bằng máy
tính thông qua mạng SCADA đã được coi trọng cùng với các kỹ thuật tự động hoá
trực tiếp tại các đối tượng theo các chức năng chính ở trên.
2.3.1 Hệ thống tự động ổn định điện áp
Điện áp là thông số chất lượng điện năng quan trọng. Trong hệ thống điện hiện
nay sai l
ệch điện áp so với định mức của các điểm nút hoặc đầu cực các máy phát
điện không quá 5%.
Để điều chỉnh điện áp ở đầu cực máy phát hay điều chỉnh công suất phản kháng
phát vào lưới ta có thể điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát. Thông thường
mỗi một hệ thống kích từ của máy phát được trang bị một bộ tự độ
ng điều chỉnh
điện áp ( Automatic Voltage Regulator- AVR). Bộ AVR là loại thiết bị điện tử số,
nhận tín hiệu vào là điện áp 3 pha tại đầu cực của máy phát, sử dụng nguyên lý
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

22
điều chỉnh PID theo độ lệch điện áp đầu cực máy phát. Nó cũng có chức năng điều
chỉnh hệ số công suất và hằng số dòng điện trường

Tại các nhà máy thuỷ điện vừa và nhỏ hiện nay khi lựa chọn thiết bị và công
nghệ của Trung quốc ta sẽ gặp loại máy phát thuỷ điện kiểu trục ngang công suất
từ vài tră
m KW đến hàng chục MW với cấu tạo hệ kích thích kiểu tĩnh. Nguồn
kích từ ban đầu lấy từ hệ thống ắc qui, mạch động lực của hệ kích thích gồm: máy
biến áp kích từ biến đổi điện áp đầu cực máy phát (cỡ 6,3KV) xuống điện áp cỡ
220-300V, công suất tính toán cỡ 1,5-2 lần công suất định mức của mạch kích từ;
Bộ chỉnh lưu lực có
điều khiển dùng thyristor cấp dòng kích từ cỡ vài chục đến
hàng trăm Am-pe tuỳ theo công suất và kiểu máy phát. Thiết bị tự động điều chỉnh
điện áp là tổ hợp các vi mạch và phần tử đo lường số hoá cung cấp và điều chỉnh
góc mở bằng các xung điều khiển thyistor. Hệ kích từ loại này có khả năng tác
động nhanh, hệ số cường hoá cỡ 1,8 - 2,2 phù hợp vớ
i thuỷ điện vừa và nhỏ vì
không yêu cầu tác động mạnh và hệ số cường hoá không cao. Khả năng kết nối với
hệ thống điều khiển tự động toàn nhà máy cũng là một ưu điểm của thiết bị này.
2.3.2 Hệ thống tự động ổn định tần số
Độ lệch tần số khác với độ lệch điện áp là chỉ
tiêu chung về chất lượng điện
năng của toàn hệ thống. Trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình
thường, tần số ở mọi thời điểm phải giống nhau. Tần số thay đổi xảy ra khi mất
cân bằng tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (tuabin) kéo máy phát
điện với phụ tải tác dụ
ng của hệ thống điện.
Trong các hệ thống điện hiện đại, giới hạn cho phép của độ lệch tần số rất bé
∆f% = ( 0,2 ÷ 0,4 )% nghĩa là f = (50 ± 0,1÷0,2 ) Hz. Việc này đòi hỏi các thiết bị
điều chỉnh tần số phải có độ chính xác rất cao để đảm bảo đặc tính điều chỉnh của
tuabin có độ phụ thuộc S
*
( hệ số tĩnh) bé.

Như vậy điều chỉnh tần số trong hệ thống điện liên quan hữu cơ với việc điều
chỉnh và phân bố công suất tác dụng giữa các tổ máy và nhà máy điện trong hệ
thống điện
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

23
Hệ thống điện càng lớn yêu cầu về độ chính xác của điều chỉnh tần số càng cao.
Vì độ lệch tần số sẽ ảnh hưởng đến công suất giữa nhiều nhà máy điện và các khu
vực khác nhau của hệ thống điện. Hệ thống càng phát triển, xác suất xuất hiện
những liên hệ yếu càng tăng. Đối với những phần tử
yếu này cần phải kiểm tra khả
năng tải của chúng theo điều kiện ổn định
Để điều chỉnh tần số lưới điện ta có thể điều chỉnh số vòng quay của tua bin
bằng cách thay đổi năng lượng đưa vào tuabin. Điều này có liên quan trực tiếp đến
tiêu hao năng lượng, nhiên liệu, chi phí vận hành của nhà máy điện. Để điều chỉ
nh
tốc độ quay của tuabin người ta thường dùng một trong hai loại máy sau là máy
điều tốc kiểu ly tâm và máy điều tốc kiểu thuỷ lực.
Máy điều chỉnh tốc độ quay tuabin có nhiệm vụ tự động thay đổi mô men quay
của tuabin bằng cách điều tiết chất mang năng lượng ( dòng nước) vào tuabin. Để
điều tiết năng lượng vào tuabin người ta dùng các van điều tiết, ở tuabin nước
ng
ười ta dùng cánh hướng nước hoặc kết hợp với độ nghiêng của tuabin. Trong
các hệ thống hiện đại, các máy điều tốc sơ cấp của tuabin là một trong những phần
tử chủ yếu của hệ thống điều chỉnh tần số ( số vòng quay của tuabin)
Ngày nay người ta thường dùng máy điều tốc kiểu điện thuỷ lực. Vì trong loại
này các khâu đo lường, đặ
t và chỉnh định thông số điều chỉnh phản hồi và tiền
khuyếch đại đều được thực hiện bằng các sơ đồ điện cho phép đơn giản phần thuỷ

lực của hệ thống và dễ dàng đưa thêm các tín hiệu điều chỉnh tần số vào hệ thống
điều tốc.
Hệ thống các thiết bị ổn định điệ
n áp hoặc tần số và điều chỉnh công suất tác
dụng hoặc công suất phản kháng được đặt trực tiếp tại các tổ máy phát thuỷ điện
của nhà máy thuỷ điện. Chúng là thiết bị chính thực hiện chức năng điều khiển tự
động tại tổ máy.
2.3.3 Kỹ thuật hoà đồng bộ trong nhà máy thuỷ điện
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ
Bộ Công Thương- Trường CĐCN Việt Hung

24
Hoà đồng bộ là việc đưa các tổ máy phát điện vào làm việc song song để
tăng công suất phản kháng của nhà máy điện, đồng thời nâng cao độ tin cậy
cung cấp điện và ổn định khu vực.
Để các máy phát điện có thể làm song song trong hệ thống điện cần phải
thoả mãn các điều kiện sau:
- Roto của các máy phát quay cùng với một tốc độ góc như nhau. Góc l
ệch
pha tương đối giữa các roto không được vượt quá một giới hạn cho phép và
điện áp qui đổi ở đầu cực máy phát phải gần bằng nhau.
- Điện áp ở đầu ra của các máy phát có thể chênh lệch nhau đôi chút là do
công suất phản kháng phát ra từ mỗi máy cũng như khoảng cách tới các hộ
tiêu thụ khác nhau.
- Công suất tác dụng phát ra của mỗi máy có thể khác nhau đôi chút do góc
lệch pha của các roto khác nhau

Khi máy cắt điện MC mở, hai máy phát điện làm việc riêng rẽ. Khi hoà điện
hai máy phát thì MC đóng. Lúc đó có thể xuất hiện dòng điện cân bằng chạy quẩn
giữa các máy phát. Dòng điện này có thể làm sụt điện áp của lưới và đôi khi nguy
hiểm đối với máy phát điện và tuabin. Vì vậy khi hoà điện cần phải đảm bảo các
yêu cầu sau:
- Đảm bảo cho dòng điệ
n cân bằng chạy qua máy cắt điện tại thời điểm thực
hiện thao tác hoà đồng bộ có giá trị càng bé càng tốt, không gây sụt áp và
dao động công suất.
- Roto của máy phát hoà điện sau khi đóng máy cắt ( MC) phải quay đồng bộ
với rôto của máy đang làm việc
MC
F
1
∼

ω
1
X
d
F
2
∼

ω
2
U
1
U

2
H-2.1: Sơ đồ nguyên lý hoà đồng bộ 2 máy phát