nghiên cứu hệ điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






VŨ THỊ ÁNH NGỌC





NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT THUỶ ĐIỆN NHỎ



Chuyên ngành: Thiết bị mạng và nhà máy điện
Mã số:

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT















THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh





Phản biện 1: PGS.TS Trần Bách
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Như Hiển






Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN
Ngày 24 tháng 09 năm 2010







Có thể tìm luận văn tại
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐHKTCN- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

TRUNG TÂM HỌC LIỆU – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN







Lời cam đoan


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan những nghiên cứu dưới đây là của em tự thiết kế dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc Khánh, nếu sai em xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 09 năm 2010
Người cam đoan



Vũ Thị Ánh Ngọc

Lời cam đoan


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo
PGS.TS Bùi Quốc Khánh và thầy giáo Vũ Hoàng Phương đã hướng dẫn và cho
em những ý kiến quý báu và luôn theo sát từng bước đi, luôn khích lệ động viên

… trong quá trình học tập và nghiên cứu của em.
Xin được chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội, Trung tâm công nghệ cao Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt cho việc học tập và nghiên cứu tại trường.
Xin chân thành cảm ơn tới Ban chủ nhiệm, toàn thể các thầy cô giáo cùng cán
bộ trong khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý
kiến quý báu, giúp đỡ về nhiều mặt trong thời gian làm nghiên cứu của tôi. Xin
được trân trọng cảm ơn khoa Đào tạo và bồi dưỡng sau đại học;
Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi rất nhiều. Xin được bày tỏ lòng biết ơn tới
bạn bè đồng nghiệp – những người thân đã đóng góp những ý kiến quý báu cho
tôi và luôn mong đợi sự hoàn thành công việc nghiên cứu của tôi.
Xin được trân trọng cảm ơn.








Lời cam đoan


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Lời cảm ơn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo
PGS.TS Bùi Quốc Khánh và thầy giáo Vũ Hoàng Phương trường ĐHBKHN đã
hướng dẫn và cho em những ý kiến quý báu và luôn theo sát từng bước đi, luôn
khích lệ động viên trong quá trình học tập và nghiên cứu của em.
Xin được chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội, Trung tâm công nghệ cao Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt cho việc học tập và nghiên cứu tại trường.
Xin chân thành cảm ơn tới Ban chủ nhiệm, toàn thể các thầy cô giáo cùng cán
bộ trong khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý
kiến quý báu, giúp đỡ về nhiều mặt trong thời gian làm nghiên cứu của tôi.
Xin được trân trọng cảm ơn khoa Đào tạo và bồi dưỡng sau đại học;Xin trân
trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều
kiện giúp đỡ tôi rất nhiều. Xin được bày tỏ lòng biết ơn tới bạn bè đồng nghiệp –
những người thân đã đóng góp những ý kiến quý báu cho tôi và luôn mong đợi
sự hoàn thành công việc nghiên cứu của tôi.
Xin được trân trọng cảm ơn.





Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC

Nội dung
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
DANH MỤC BẢN VẼ
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ
1.1.Tổng quan về nhà máy thủy điện nhỏ
a.Tình hình phát triển thủy điện
b. Sơ đồ nhà máy thủy điện
c. Phân loại nhà máy thủy điện
d . Nguyên lý phát điện của nhà máy thủy điện
e . Tự động hóa trong nhà máy thủy điện
1.2.Điều tốc turbine thủy điện nhỏ
a . Cấu tạo chung của thiết bị điều tốc
b . Các chức năng của điều tốc
c . Điều chỉnh mômen trên trục turbine
1.3. Máy phát điện
1.3. 1.Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
1.3.2. Phƣơng trình điện áp và đồ thị véc tơ của máy phát điện đồng bộ.
1.3.3. Các đặc tính điều chỉnh của máy phát đồng bộ
1.3.4. Các đặc tính điều chỉnh của máy điện đồng bộ
a. Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ
b. Đặc tính ngoài
c. Đặc tính điều chỉnh

1
1
3
4
6
9
10
10
12
13
14
14
16
16
21
21
22
Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

d. Đặc tính tải
e. Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch K
1.4. Kết luận chƣơng 1
CHƢƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN NHỎ
2.1.Mô tả toán học máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha

2.1.1.Các phƣơng trình điện áp viết trong hệ tọa độ 3 pha abc
2.1.2. Các phƣơng trình điện áp viết trong hệ tọa độ 3 pha dq
2.1.3.Mô hình mạch thay thế tƣơng đƣơng
2.2.Mô hình toán máy phát thủy điện nhỏ
a. Mô hình toán hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát
b. Phân tích hệ thống điều chỉnh công suất và điện áp trong máy phát
thủy đện
c. Mô hình bộ điều tốc hoạt động gián tiếp có van tiết lƣu
d. Phƣơng trình cân bằng chuyển động hệ thống
e. Phƣơng trình tải trạm điện
2.3. Mô hình toán hệ thống tự động điều chỉnh điện áp của máy phát
2.4.Phân tích hệ thống điều chỉnh công suất và điện áp trong mát phát
thuỷ điện
2.4.1.Điều chỉnh công suất tác dụng P
2.4.2. Điều chỉnh công suất phản kháng Q
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ
3.1. Mô hình điều khiển phát điện tự động (AGC)
3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển kích từ
3.2.1. Một số hệ điều khiển kích từ kinh điển
a. Hệ thống kích từ một chiều:(DC Exciter)
24
26
26

28
28
30
37
39
39

39

39
40
40
41
42

42
46

49
51
53
53
Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

b. Hệ thống kích từ xoay chiều (AC Exciter)
c . Hệ thống kích từ tĩnh: (Statc Exciter)
3.2.2. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR
a . Thuyết minh sơ đồ khối của bộ AVR
b . Thiết kế khối điều khiển chính (Controler)
c . Thiết kế khối chuyển đổi và tính toán (Caculate)
d . Thiết kế khối giới hạn (Limiter)
e. Thiết kế bộ đặt điện áp (Setpoin)
3.3.Xây dựng hệ thống ổn định công suất PSS
3.4. Kết luận chƣơng 3………………………………
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ

4.1.Giới thiệu phần mềm mô phỏng
4.1.1. Mục đích của mô phỏng
4.1.2. Các tham số máy phát
4.2.Các thành phần của hệ thống mô phỏng
4.3. Kết quả mô phỏng hệ thống
4.3.1. Mô phỏng máy phát làm việc với phụ tải độc lập………………
4.3.2. Mô phỏng khi máy phát hòa vào lƣới điện hệ thống
4.3.2.1 Mô hình mô phỏng
4.3.2.2.Đáp ứng của hệ thống khi hoà lƣới
4.4. Kết luận chƣơng 4…………………………………………………
Kết luận và kiến nghị



55
56
58
60
61
66
68
73
76
80

81
81
82
83
86

86
91
91
92
103


Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢN VẼ

Hình 1.1.Sơ đồ các tuyến của nhà máy thủy điện………………………….
Hình 1.2.Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lòng sông………………………
Hình 1.3.Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đƣờng dẫn………………………
Hình 1.4.Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp………………………
Hình 1.5. Sơ đồ nhà máy thủy điện ……………………………………
Hình 1.6.Bộ điều tốc turbine thủy lực……………………………………
Hình 1.7.Sơ đồ điều khiển nhà máy thủy điện…………………………
Hình 1.8.Sơ đồ điều khiển nhà máy thủy điện……………………………
Hình 1.9.Cấu tạo máy phát điện đồng bộ……………………………
Hình 1.10.Mặt cắt ngang máy điện………………………………………
Hình 1.11.Cấu tạo roto máy phát điện đồng bộ ……………
Hình 1.12.Nguyên lý quá trình sản xuất điện năng ………………
Hình 1.13.Đồ thị suất điện động của máy phát điện cực lồi ………
Hình 1.14.Đồ thị véc tơ sức điện động và độ thay đổi điện áp của máy
đồng bộ cực lồi khi bão hòa…………………………. …………………
Hình 1-15. Đặc tính không tải máy phát tuabin hơi nƣớc
Hình 1-16. Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

Hình 1-17. Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ
Hình 1-18. Xác định đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam
giác điện kháng
Hình 1-19. Đặc tính ngắn mạch của máy phát đồng bộ
Hình 2.1.Sơ đồ bố trí các cuộn dây stato và roto máy điện đồng bộ ……
Hình 2.2.Mô hình dq của máy phát đồng bộ ……………………………
3
4
5
5
6
8
9
11
14
15
16
19
20

22
23
24
25

26
26
28
32
Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 2.3.Điện cảm trên mô hình dq………………………………
Hình 2.4.Biểu diễn các đại lƣợng véc tơ của máy phát đồng bộ
Hình 2.5.Mạch điện tƣơng đƣơng của máy phát đồng bộ
Hình 2.6.Sơ đồ chức năng của hệ thống điều chỉnh điện áp
Hình 2.7.Công suất tác dụng và công suất chỉnh bộ của máy phát điện
đồng bộ cực lồi
Hình 2.8.Đồ thị véc tơ sức điện động
Hình 2.9.Họ các đặc tính Vcủa máy phát đồng bộ
Hình 3.1.Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát đồng bộ
Hình 3.2.Hệ thống kích từ một chiều( DC Exciter)
Hình 3.3.Hệ thống kích từ xoay chiều (AC Exciter)
Hình 3.4.Hệ thống kích từ tĩnh ( Static Exciter)
Hình 3.5.Sơ đồ khối kích từ AVR
Hình 3.6. Mô hình AVR trong thực tế
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển
Hình3.8: Sơ đồ bộ điều khiển PI
Hình 3.9: Đặc tính xác định tham số PI theo tiêu chuẩn Ziegler nichol 1
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khâu LV Gate
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khâu HV Gate
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý khâu Follow up
Hình 3.13: Các giới hạn của máy phát đồng bộ
Hình 3.14:Đặc tính giới hạn tần số điện áp (V/f Limiter)
Hình 3.15: Sơ đồ giới hạn tần số điện áp (V/f Limiter)
Hình 3.16: Sơ đồ khâu giới hạn ổn định PQ
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối điện áp đặt
33
37

38
41

44
46
47
49
53
55
56
58
59
61
63
64
65
65
66
68
71
72
72
74
Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.18: Sơ đồ khâu Follow up AVR
Hình 3.19: Sơ đồ khâu điều chỉnh tự động công suất phản kháng AQR
Hình 3.20: Sơ đồ tự động điều chỉnh điện áp AVR với hệ thống ổn định

điện áp PSS tín hiệu nhỏ
Hình 3.21: Hệ thống kích Thyristor với AVR và PSS
Hình 4-1. Mô hình mô phỏng hệ điều chỉnh tuabin- máy phát
Hình 4.2: Mô hình hệ thống điều khiển máy phát
Hình 4.3: Mô hình bộ điều chỉnh kích từ
Hình 4-4: Mô hình mô phỏng máy phát làm việc với phụ tải độc lập
Hình 4.5: Khối điều chỉnh kích từ
Hình 4-6: Đặc tính công suất khi khởi động(pu)
Hình 4-7: Dòng điện stato máy phát (pu)
Hình 4- 8 . Điện áp đầu cực máy phát(pu)
Hình 4- 9 . Dòng điện kích từ máy phát (pu)
Hình 4- 10 . Điện áp kích từ máy phát (pu)
Hình 4-11. Mô hình mô phỏng máy phát hoà lƣới điện
Hình 4.12 : Khối điều chỉnh kích từ AVR
Hình 4.13: Hệ thống ổn định điện áp PSS
Hình 4.14 : Hệ thống ổn định điện áp (PSS) với đầu vào P
Hình 4.15: Công suất P,Q(p,u) khi không có PSS
Hình 4.16: Công suất P,Q(p,u) khi có PSS với đầu vào 
Hình 4.17: Công suất P,Q(p,u) khi có PSS với đầu vào P
Hình 4.18: Dòng điện kích từ máy phát ko có PSS
Hình 4.19: Dòng điện kích từ máy phát khi có PSS với đầu vào 
75
76

78
79
83
84
85
86

87
88
89
89
90
90
91
92
93
94
94
94
94
95
95

Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 4.20: Dòng điện kích từ máy phát khi có PSS với đầu vào P
Hình 4.21: Điện áp kích từ máy phát ko có PSS
Hình 4.22: Điện áp kích từ máy phát có PSS với đầu vào 
Hình 4.23: Điện áp kích từ máy phát có PSS với đầu vào P
Hình 4.24: Góc tải I(p,u) ko có PSS
Hình 4.25: Góc tải I(p,u) có PSS với đầu vào 
Hình 4.26: Góc tải I(p,u) có PSS với đầu vào P
Hình 4.27: Điện áp U
PSS
không có PSS

Hình 4.28: Điện áp U
PSS
có PSS với đầu vào 
Hình 4.29: Điện áp U
PSS
có PSS với đầu vào P
Hình 4.30 : Dòng điện stato máy phát (pu)khi không có PSS
Hình 4.31: Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi không có PSS
Hình 4.32: Tốc độ máy phát/tần số (pu)khi không có PSS
Hình 4.33 : Dòng điện stato máy phát (pu)khi có PSS đầu vào
Hình 4.34 : Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi có PSS đầu vào
Hình 4.35: Tốc độ máy phát/tần số (pu)khi có PSS đầu vào
Hình 4.36 : Dòng điện stato máy phát (pu) khi có PSS với đầu vào P
Hình 4.36 : Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi có PSS với đầu vào P

95
96
96
96
97
97
97
98
98
98
99
99
99
100
100

100
101
101
101








Mục lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên














Lời nói đầu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta đang trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước.Điện
khí hóa đóng vai trò rất quan trọng cho sự phát triển trong thời kỳ này nó không
những đóng vai trò chủ chốt trong công nghiệp, nông nghiệp mà còn rất cần cho
sinh hoạt đời sống và văn hóa của con người.
Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa với chủ yếu là đồi núi và hệ thống
sông ngòi được phân bố rộng khắp đất nước nên việc phát triển xây dựng nhà
máy thủy điện rất thuận lợi vì có nguồn năng lượng thủy năng rất lớn.
Trong nhà máy thủy điện muốn cho máy phát điện phát ra điện năng ổn định
và có chất lượng cao thì cần phải có hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát
đồng bộ.
Trước khi kết thúc khóa học em được giao đề tài luận văn là: “ Nghiên cứu hệ
điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ”
Hệ thống điều khiển kích từ máy phát đồng bộ phải đảm bảo: Điều chỉnh dòng
kích từ để duy trì điện áp máy phát làm việc trong điều kiện bình thường và
cưỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lưới khi điện áp lưới hạ thấp
do xảy ra ngắn mạch ở xa, triệt từ trường kích thích để giảm nhanh dòng kích
thích về không có ngắn mạch trong nội bộ dây quấn stato trong máy phát.
Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

Chương 1
TỔNG QUAN NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN NHỎ
1.1. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện.
Năng lượng điện hay còn gọi là điện năng, là dạng năng lượng thứ cấp được
tạo ra từ nhiều nguồn năng lượng thứ cấp khác nhau như nhiệt năng (dầu,khí
đốt, than, năng lượng phóng xạ, năng lượng mặt trời…),thủy năng (sông,
suối, sóng biển, thủy chiều…), năng lượng gió. Đây là loại năng lượng đóng
vai trò quan trọng và được sử dụng trên khắp thế giới trong nhiều lĩnh vực của
cuộc sống ngày nay như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, sinh hoạt …
Thuỷ năng là một dạng năng lượng tái tạo được. Đây là đặc tính ưu việt
nhất của nguồn năng lượng này, các nguồn năng lượng khác như : Nguyên tử,
than, dầu … không thể tái tạo được. Trong quá trình biến đổi năng lượng, chỉ
có thuỷ năng sau khi biến đổi thành cơ năng và nhiệt năng lại được tái tạo
thành dạng thủy năng, còn các dạng năng lượng khác trong quá trình biến đổi
không tự tái tạo trong tự nhiên. Con người sử dụng nguồn thuỷ năng để phục
vụ cho đời sống và sản xuất, đặc biệt là để phát điện.
Các nhà máy thuỷ điện nhỏ [6] đang được phát triển nhiều ở khu vực vùng
sâu vùng xa có điều kiện tự nhiên về nguồn thuỷ năng. Sự phát triển của khoa
học công nghệ, công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã làm tăng số
lượng các bộ biến đổi tĩnh sử dụng các thiết bị điện tử, đa số các thiết bị áp
dụng kỹ thuật tin học sử dụng vào quá trình hoạt động đặc biệt trong các thiết
bị tự động điều khiển, điều chỉnh, tự động kiểm tra, các quá trình tạo và biến
đổi năng lượng điện, tất cả các thiết bị đó đều có chung một đòi hỏi về chất
lượng nguồn điện cấp từ trạm phát.
a. Tình hình phát triển thuỷ điện
Trong nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỉ lệ tương đối lớn 25%.
Giá thành sản suất điện năng bằng thuỷ năng rất rẻ so với nhiệt điện do sử
Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2



dụng nguồn năng lượng tái sinh ít ảnh hưởng xấu đến môi trường. Chính vì
vậy ngành thuỷ điện trên thế giới rất phát triển cả về số lượng lẫn chất lượng.
Công suất lớn nhất của một tổ máy thuỷ điện là 750W, hiệu suất tổ máy là
92% - 96%. Công trình có công suất lớn nhất trên thế giới hiện nay là công
trình Tam Hiệp(Trung Quốc) N=18200MW.Các nước Mỹ,Nga,Pháp, Canada,
Nhật Bản, Trung Quốc là nhhững nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền
thuỷ điện phát trển.
Việt nam có 124 hệ thống song với 2860 con sông có chiều dài lớn hơn
10km với trữ lượng thuỷ năng trên lý thuyết là 271.3 tỷ KWh/năm và trữ năng
kỹ thuật khoảng 90 tỷ KWh/năm.
Hiện nay chúng ta chỉ khai thác 20% trữ lượng dồi dào này. Hiện nay có
các nhà máy thuỷ điện Thác Bà công suất 108 MW, Hoà Bình 1920MW, Yaly
720 MW, Trị An 400MW, Thác Mơ 150 MW, ĐaMi 175MW, Hàm Thuận
300MW, Vĩnh Sơn 66MW, Sông Hinh 70 MW. Nước ta hiện nay thuỷ điện
chiếm 60% công suất của hệ thống điện Việt nam, vào những đầu thập niên
21 khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều nguồn năng lượng
điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ tiền nhất cần phải khai thác triệt để
nhất khi nguồn than nước ta không nhiều mà chi phí sản suất nhiệt điện lại lớn
hơn nhiều so với thuỷ điện. Không những công trình thuỷ điện đóng vai trò
quan trọng trong công việc cung cấp năng lượng mà còn là công trình thuỷ lợi
tổng hợp và tránh thiên tai. Lợi ích trong phòng chống lũ ở các công trình
thuỷ điện trên các hệ thống sông như sông Đà là vô cùng lớn. Sông Đà cho
sản lượng khoảng 31 tỷ KWh và đảm bảo an toàn cho Hà Nội và cho các
vùng đồng bằng Bắc bộ. Ước tính khi mức lũ ở Hà nội vượt quá 13,3 m nếu
dùng biện pháp phân lũ và cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế

cao và là mục tiêu quan trọng để xây dựng đất nước.

Chng mt

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

3



b. S nh mỏy thy in
Nh mỏy thy in l mt t hp phc tp, s dng nng lng ca
sụng sui, sn xut in nng bao gm 3 tuyn:












Hỡnh 1.1.S cỏc tuyn ca nh mỏy thy in

- Tuyn ỏp lc (tuyn u mi)
- Tuyn nng lng.
- Tuyn h lu.

c. Phõn loi nh mỏy thu in
Tu thuc v trớ a lý m nh mỏy thu in c phõn thnh 3 loi c bn:
* Nh mỏy thu in kiu lũng sụng ( hay sau p)
Tuyến áp
lực
1.Hồ chứa
+ Bể áp lực
+ Bể lắng
cát

2. Đập
tràn

3. Các van
xả
Tuyến năng l-ợng.
+Kênh vào
+Cửa van
+Đ-ờng hầm (gồm Tháp và van)
+Đ-ờng ống
Nhà máy :
+ Thiết bị cơ khí :
Chính : Turbine cho từng tổ máy
Phụ : (các thiết bị khác)
+ Thiết bị điện kỹ thuật
Tổ máy
Turbine
+ Turbine, cánh h-ớng
+ Bộ điều tốc
Máy phát

+ Máy phát
+ Hệ thống kích từ.


H lu

1. Kênh
xả

2. Các
cửa van
hạ l-u
Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4




Hình 1-2. Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lòng sông:
1- Hệ thống cửa nhận nước; 2- Đập dâng; 3- Nhà bao che; 4- Hệ thống máy phát;
5- Hệ thống tua bin; MNDBT: mực nước dâng bình thường; MNHL: Mực nước hạ
lưu.
* Nhà máy thủy điện đường dẫn
Nước được ngăn bởi một đập thấp rồi chảy theo đường dẫn (Kênh, máng,
tuy – nen, ống dẫn) đến nhà máy thủy điện
Để tập trung năng lượng người ta dùng đập cột áp H là độ chênh mực nước
trước và sau đập (tương ứng thượng lưu và hạ lưu). Đập có hồ chứa nước lớn

để điều tiết lưu lượng dòng sông.
Nhà máy thường đặt sau đập đối với cột nước lớn, hoặc là một bộ phận của
đập đối với cột nước nhỏ. Các trạm thuỷ điện với phương pháp tập trung năng
lượng bằng đập gọi là nhà máy kiểu lòng sông hay sau đập. Nó áp dụng cho
các con sông ở đồng bằng, trung du nơi có độ dốc lòng sông nhỏ, lưu lượng
sông lớn. Trong thực tế, chiều cao của đập bị hạn chế bởi kỹ thuật đắp đập và
diện tích bị ngập. Cột áp ở các trạm thủy điện này không lớn, thông thường
không lớn hơn 30 – 40m.
Cột áp cơ bản là do đường dẫn tạo nên, còn đập chỉ để ngăn nước lại để
đưa vào đường dẫn. Đường dẫn có độ dốc nhỏ hơn độ dốc lòng sông. Kiểu
Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5



trạm này thường dùng ở các sông suối có độ dốc lòng sông lớn và lưu lượng
nhỏ.


Hình 1-3. Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn:
1- Đập dâng+ của nhận nước; 2- Bể lắng cát; 3- Kênh dẫn (hoặc có cả đường
hầm); 4 - Bể điều áp; 5- Đường ống áp lực; 6- Nhà bao che; 7- Tuarbine- máy
phát.
* Nhà máy thủy điện tổng hợp

Hình 1-4. Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hợp.
Năng lượng nước được tập trung là nhờ đập và cả đường dẫn. Cột áp

của trạm gồm 2 phần: một phần do đập tạo nên, phần còn lại do đường dẫn
tạo nên.
Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6



Nhà máy kiểu này được dùng cho các đoạn sông mà ở trên sông có độ dốc
nhỏ thì xây đập ngăn nước và hồ chứa, còn ở phía dưới có độ dốc lớn thì xây
dựng đường dẫn.
d. Nguyên lý phát điện của nhà máy thủy điện
Cho dù nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn, lòng sông hay tổng hợp thì
cũng đều có chung một nguyên lý phát điện như sau: Nước từ hồ chứa thượng
lưu được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn, tại đây nước
được gia tốc tới vận tốc rất lớn. Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào
turbine thuỷ lực làm quay turbine, đồng thời làm quay máy phát điện (thông
thường trục của turbine được nối thẳng với trục máy phát). Từ đầu cực máy
phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối
cung cấp cho các hộ tiêu thụ của một vùng độc lập, hoặc đồng thời hoà vào
lưới điện quốc gia, xem hình 1-5.




Hình 1-5. Sơ đồ nhà máy thủy điện.
Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7



Trong nhà máy thủy điện, các thiết bị được bố trí tùy theo từng đặc điểm
của nhà máy, tùy theo kiểu turbine trục đứng hay trục ngang.
Thiết bị của trạm thuỷ điện có thể được chia ra các loại: thiết bị động lực
(gồm turbine và máy phát điện), thiết bị cơ khí, thiết bị phụ, thiết bị điện.
Trong nhà máy thủy điện thì Turbine thuỷ lực là một bộ phận cơ khí quan
trọng nhất, bằng sự thay đổi tốc độ, nó quyết định công suất phát của tổ máy.
Turbine thuỷ lực bao gồm 2 phần chính (loại turbine Kaplan trục đứng): Roto
turbine (gồm bánh xe công tác-BXCT được nối với trục turbine thông qua
khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato
turbine (gồm vành đáy turbine để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín,
vành stato turbine, bộ cánh hướng dòng) và bộ ống xả, buồng xoắn.
Tuỳ theo mực nước thượng lưu hoặc hồ chứa và khi tải trên lưới điện thay
đổi đòi hỏi lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp. Do vậy,
phải điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều
chỉnh lưu lượng nước vào turbine và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo
cho turbine tốc độ ổn định.
Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông
thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực.Truyền động của
servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng
và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động. Với sự phát triển vượt bậc của
kỹ thuật số, bộ điều tốc turbine được tự động hoá hoàn toàn có khả năng thu
thập các thông số quá trình một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá
trình vận hành. Mối liên hệ giữa turbine và máy phát được thể hiện trong hình
1-6.

Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8




Hình 1-6. Bộ điều tốc turbine thủy lực.

Mỗi turbine được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả
năng điều khiển tốc độ, công suất phát hoặc lưu lượng nước vào turbine cho
phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với
nhau và với hệ thống điện.











Chương một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9



e.Tự động hóa trong nhà máy thủy điện

Hình 1-7. Sơ đồ điều khiển của nhà máy thuỷ điện
Cấu trúc toàn bộ hệ thống có các bộ điều khiển vận hành trực tiếp trên các
bộ phận riêng rẽ. Trong mỗi tổ máy phát gồm các bộ phận điều khiển động
lực đầu tiên và các bộ điều khiển kích từ. Phần động lực đầu tiên bao gồm
turbine và hệ thống thủy lực, do vậy các bộ điều khiển động lực đầu tiên liên
quan tới việc điều chỉnh tốc độ và điều khiển các biến số của hệ thống cung
cấp năng lượng. Chức năng của điều khiển kích từ là điều chỉnh điện áp máy
phát và công suất phản kháng. Công suất phát mong muốn của các tổ máy
phát đơn lẻ được xác định bởi các quá trình điều khiển phát điện của hệ thống.