Mô phỏng hệ thống kích từ unitrol 6800 điều khiển máy phát tại nhà máy thủy điện hàm thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM SỸ NGUN

MƠ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL - 6800
ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT TẠI NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐINH THÀNH VIỆT

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

PHẠM SỸ NGUYÊN


TRANG TĨM TẮT TIẾNG ANH
MƠ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY
PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN

SIMULATING THE UNITROL_6800 EXCITATION SYSTEM CONTROLS
THE HAM THUAN HYDROELECTRIC GENERATOR
Học viên: Phạm Sỹ Nguyên, Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.
Mã số: 60520202, Khóa: K33.KTĐ.LĐ. Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
Tóm tắt - Trong luận văn này đã nghiên cứu giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa bộ
điều khiển kích từ và mô phỏng chức năng tự động điều khiển điện áp (AVR) kết hợp với bộ
ổn định hệ thống điện PSS4B của hệ thống kích từ điều khiển máy phát Thủy điện Hàm
Thuận. Luận văn đã sử dụng công cụ giải thuật di truyền (GA) trên phần mềm Matlab để tối
ưu bộ điều khiển kích từ, Tính tốn các thông số của hệ thống và sử dụng phần mềm Matlab
Simulink xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800. Qua kết quả đạt được
phân tích và đánh giá để từ đó đưa ra đề xuất sử dụng bộ các thơng số tối ưu cho hệ thống
kích từ hiện hiện hữu.
Từ khóa: Hệ thống kích từ; Mơ hình hệ thống kích từ; Bộ ổn định hệ thống điện; Công
cụ giải thuật di truyền (GA) trong Matlab; Hệ thống kích từ Unitrol-6800
Abstract. - in this thesis studied genetic algorithm (GA) optimization of the excitation and
dynamics control (AVR) function in conjunction with the power system stability (PSS4B) of
Ham Thuan Hydropower Generator Control System. The thesis utilized the GA genetic
algorithm tool in Matlab software to optimize the excitation controller, calculate the system
parameters and use the Matlab software. Simulink built the simulation model of the excitation
system Unitrol_6800. Through the results obtained analysis and evaluation, from which to
propose to use the optimal set of parameters for the existing click system.
Key words: Excitation system, model of the excitation system, power system stability,
The genetic algorithm (GA) tool in Matlab software, excitation system Unitrol_6800.


MỤC LỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
TRANG TĨM TẮT TIẾNG ANH
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................1
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu..........................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................2
6. Cấu trúc luận văn: ....................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN .......................3
1.1. GIỚI THIỆU CÔNG TY CỔ PHẦN THỦY ĐIỆN ĐA NHIM – HÀM THUẬN
– ĐA MI .......................................................................................................................3
1.2. TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN ...................................3
1.2.1. Thông số tuyến năng lượng ............................................................................3
1.2.1.1. Hồ chứa ....................................................................................................3
1.2.1.2. Đập chính .................................................................................................3
1.2.1.3. Đập tràn ....................................................................................................4
1.2.1.4. Đập phụ ....................................................................................................4
1.2.1.5. Cửa lấy nước ............................................................................................5
1.2.1.6. Đường hầm và tháp điều áp .....................................................................6
1.2.1.7. Đường ống áp lực .....................................................................................6
1.2.1.8. Thiết bị hạ lưu ..........................................................................................6
1.2.2. Các sơ đồ nối điện chính nhà máy ..................................................................7
1.2.2.1. Sơ đồ nối điện 220 kV ..............................................................................7
1.2.2.2. Sơ đồ nối điện 110 kV ..............................................................................7
1.2.2.3. Sơ đồ nối điện 22 kV ................................................................................8
1.2.2.4. Sơ đồ nối điện 400Vac .............................................................................8
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................9
CHƯƠNG 2. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN ..................................................................10

2.1. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG
BỘ ..............................................................................................................................10


2.1.1. Chức năng của hệ thống kích từ [8]..............................................................10
2.1.2. Các thành phần chính của hệ thống kích từ [8] ............................................10
2.1.3. Phân loại hệ thống kích từ [8].......................................................................11
2.1.3.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều ...................................11
2.1.3.2. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều ..................................13
2.1.3.3. Hệ thống kích từ tĩnh ..............................................................................13
2.1.4. Các bộ hạn chế và bảo vệ [8] ........................................................................14
2.1.4.1. Bộ giới hạn kém kích thích ....................................................................14
2.1.4.2. Bộ giới hạn quá kích thích .....................................................................15
2.1.4.3. Bộ giới hạn bảo vệ V/Hz ........................................................................15
2.1.4.4. Mạch diệt từ............................................................................................16
2.1.4.5. Bảo vệ quá điện áp Rotor .......................................................................16
2.1.5. Bộ ổn định hệ thống điện ..............................................................................16
2.2. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY
PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN .........................................................................16
2.2.1. Tổng quan hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận .....................16
2.2.2. Thơng số chính hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận .............17
2.2.3. Chức năng các thành phần chính của hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện
Hàm Thuận .............................................................................................................18
2.2.3.1. Sơ đồ nguyên lý chung hệ thống kích từ [10] ........................................18
2.2.3.2. Các thiết bị điều khiển chính hệ thống kích từ .......................................20
2.2.4. Chức năng điều khiển chính của hệ thống kích từ Nhà máy Thủy điện Hàm
Thuận ......................................................................................................................23
2.2.4.1. Chức năng kích từ ban đầu .....................................................................23
2.2.4.2. Chức năng điều khiển điện .....................................................................24
2.2.4.3. Chức năng tự động điều khiển điện áp (AVR) .......................................24

2.2.4.4. Chức năng điều khiển điện áp bằng tay (FCR) ......................................31
2.2.5. Các chức năng giám sát hệ thống kích từ .....................................................32
2.2.6. Các chức năng bảo vệ chính hệ thống kích từ ..............................................32
2.2.6.1. Bảo vệ quá điện áp một chiều (DC) .......................................................32
2.2.6.2. Bảo vệ quá điện áp xoay chiều (AC)......................................................33
2.2.6.3. Bảo vệ chạm đất Rotor ...........................................................................34
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................34
CHƯƠNG 3. TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT HÀM THUẬN BẰNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ MƠ PHỎNG
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................................................................................35
3.1. TÌM HIỂU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) VÀ CÔNG CỤ GA TRONG
PHẦN MỀM MATLAB ............................................................................................35
3.1.1. Giới thiệu giải thuật di truyền (GA) .............................................................35
3.1.2. Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) trong Matlab........................................35


3.1.2.1. Giải thuật di truyền dùng dòng lệnh Command Line .............................36
3.1.2.2. Giải thuật di truyền dùng công cụ Genetic Algorithm Tool ..................36
3.2. ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN
KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM
THUẬN ......................................................................................................................38
3.2.1. Mơ hình hệ thống kích từ tĩnh ST1A (IEEE 421.5-2005) [14] ....................38
3.2.2. Tính tốn các thơng số mơ hình hệ thống kích từ ........................................39
3.2.2.1. Mơ hình hệ thống kích từ tĩnh Unitrol_6800 [12] ..................................39
3.2.2.2. Tính tốn thơng số mơ hình hệ thống kích Unitrol_6800 điều khiển máy
phát Thủy điện Hàm Thuận .................................................................................41
3.2.3. Tối ưu bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 máy phát Thủy điện Hàm Thuận
bằng giải thuật di truyền (GA) ................................................................................45
3.2.4. Kiểm định lại tham số bộ điều khiển hệ thống kích từ Unitrol_6800 máy
phát Thủy điện Hàm Thuận từ chạy giải thuật di truyền (GA) ..............................51

3.3. ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ
UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN ..........52
3.3.1. Đặt vấn đề .....................................................................................................52
3.3.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng .......................................................................53
3.3.2.1. Mơ hình máy phát điện..........................................................................54
3.3.2.2. Mơ hình máy biến thế chính ...................................................................54
3.3.2.3. Mơ hình bộ điều tốc tua bin thủy điện ...................................................55
3.3.2.4. Mơ hình bộ điều khiển kích từ ...............................................................56
3.3.2.5. Mơ hình bộ ổn định hệ thống điện PSS4B .............................................57
3.3.2.6. Mơ hình tải và bộ tạo sự cố ngắn mạch..................................................58
3.3.3. Kết quả mô phỏng .........................................................................................59
3.3.3.1. Kết quả chạy mơ phỏng hệ thống kích từ hiện hữu và hệ thống kích từ
tìm được từ giải thuật di truyền (GA) .................................................................59
3.3.3.2. Kết quả chạy mơ phỏng hệ thống kích từ khi có bộ ổn định hệ thống
điện PSS4B ..........................................................................................................60
3.3.3.3. Nhận xét kết quả mô phỏng....................................................................62
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................66
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
DCL

Dao cách ly

MBT
MNDBT

Máy biến thế
Mực nước dâng bình thường

MNC

Mực nước chết

TC11

Thanh cái 11

TC19

Thanh cái 19

TC21

Thanh cái 21

TC22

Thanh cái 22

TC41

Thanh cái 41
Thanh cái 43

TC43
AC800PEC

Main Controller Device

Thiết bị bộ điều khiển chính

AI

Analog Input

Tín hiệu vào tương tự

AO

Analog Output

Tín hiệu ra tương tự

AUTO

Automatic Voltage Regulator Mode

AVR

Automatic Voltage Regulator

Tự động điều chỉnh điện áp

BFCR

Backup Field Current Regulator

BU

Backup Chanel

Điều khiển dòng kích từ dự
phịng
Kênh dự phịng

CB

Circuit Breaker

Máy cắt

CCI

Converter Control Interface

CCM

Communication Control
Measurement Device

CCP

Converter Control Panel

CCU

Converter Control Unit

Bộ điều khiển chỉnh lưu

CIO

Combined Input Output Device

Thiết bị kết nối

CSI

Control Signal Interface

EG

Cubicle: Converter

Giao diện tín hiệu bộ chỉnh
lưu
Bộ chỉnh lưu

Chế độ điều chỉnh điện áp tự
động

Giao diện điều khiển bộ
chỉnh lưu

Thiết bị giao tiếp đo lường
điều khiển
Bảng điều khiển bộ chỉnh
lưu


Thiết bị đầu cuối điều khiển

ECT

Excitation Control Terminal

FCB

Field Circuit Breaker

Máy cắt kích từ

FCR

Field Current Regulator

Điều khiển dịng kích từ

FFL

Field Flashing

Mồi kích từ

GCU

Gate Control Unit

GDI

Gate Driver Intreface

Bộ điều khiển kích xung
Giao diện điều khiển kích

GFR

Ground Fault Relay

GIS

Gas Insulation Switchgear

I/O

Input/Output

MANUAL

Field Current Regulator Mode

MAN

MANUAL Mode

OEL

Overexcitation Limiter

Chế độ bằng tay
Giới hạn quá kích từ

PSU

Power Supply Unit

Bộ nguồn

PSS

Power System Stabilizer

Ổn định hệ thống điện

SCI

Snubber Control Interface

UEL

Underexcitation Limiter

Giới hạn kém kích thích

V/Hz

Volt per Hertz

Giới hạn V/Hz

hệ thống kích từ

xung
Rơ le bảo vệ chạm đất
Thiết bị đóng cắt kiểu kín
cách điện bằng khí SF6
Vào/ra
Chế độ điều khiển dịng kích
từ

Giao diện điều khiển giảm
dao động


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
hiệu
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7

2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7

Tên hình

Trang

Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát điện
Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ một chiều
Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ dùng máy phát phụ

Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ tĩnh
Sự phối hợp giữa các phần tử thiếu, mất kích từ và giới hạn ổn định
Sơ đồ khối hệ thống kích từ Unitrol_6800
Cấu hình phần cứng hệ thống kích từ Unitrol_6800
Nguyên lý kết nối thông tin từ kênh điều khiển đến (CCI)
Ngun lý kích từ ban đầu khi khơng dùng nguồn phụ một chiều
Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển AVR
Sơ đồ nguyên lý chức năng thông số đặt bộ AVR
Nguyên lý điểm đặt tổng
Nguyên lý hàm truyền bộ điều khiển PID
Đặc tính bộ điều khiển PID lead_ lag
Nguyên lý đặc tính cơng suất và giới hạn AVR
Ngun lý bộ giới hạn dịng điện kích từ cực tiểu
Ngun lý bộ giới hạn dòng điện Stator
Nguyên lý bộ điều khiển cơng suất Q = 0
Ngun lý bộ giới hạn dịng điện kích từ cực đại
Nguyên lý bộ điều khiển kích từ bằng tay (FCR)
Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ quá điện áp DC (Crowbar)
Sơ đồ nguyên lý mạch lọc q điện áp xoay chiều (AC)
Mơ hình hệ thống kích từ tĩnh ST1A (IEEE 421.5-2005)
Mơ hình hệ thống kích từ Unitrol_6800 theo tiêu chuẩn (IEEE
421.5-2005)

11
12
13
14
15
18
21

22
23
25
25
26
27
27
28
29
29
30
30
32
33
34
38

Mơ hình hệ thống kích từ tĩnh Unitrol_6800 và máy phát đồng bộ
Mơ hình hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy
điện Hàm Thuận
Chương trình chạy giải thuật (GA) tìm tham số bộ điều khiển kích
từ Unitrol_6800 trên Matlab
Giản đồ đáp ứng quá độ của hệ thống kích từ Unitrol_6800 sau khi
chạy giải thuật (GA)
Khoảng cách trung bình giữa các cá thể mỗi thế hệ

40

39

46
48
49
49


Số
hiệu
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12

Tên hình

Trang

Biểu đồ phả hệ của cá thể được mã hóa bảng màu
Biểu đồ mức độ thích nghi của các cá thể tại giá trị hàm mục tiêu
Biểu đồ điểm thích nghi của các cá thể
Biểu đồ lựa chọn cha mẹ
Biểu đồ các cấp độ dừng tiêu chuẩn
Hàm truyền vẽ đáp ứng hệ thống kích từ hiện hữu và sau khi tối ưu
bằng giải thuật di truyền (GA)
Giản đồ đáp ứng hệ thống kích từ hiện hữu và sau khi tối ưu bằng
giải thuật di truyền (GA)
Mơ hình mơ phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy
phát Thủy điện Hàm Thuận
Thơng số mơ hình máy phát Thủy điện Hàm Thuận trên Matlab

Simulink
Thơng số mơ hình máy biến thế chính trên Matlab Simulink
Thơng số mơ hình bộ điều tốc trên Matlab Simulink

50
50
50
50
50

56

3.25

Thơng số mơ hình bộ kích từ hiện hữu trên Matlab Simulink
Thơng số mơ hình bộ kích từ sau khi tối ưu bằng giải thuật di truyền
trên Matlab Simulink
Mô hình bộ kích từ trên Matlab Simulink
Các thơng số và mơ hình bộ ổn định PSS4B trên Matlab Simulink
Giản đồ điện áp máy phát với bộ tham số hiện hữu, từ giải thuật di
truyền (GA) khi sự cố và đóng thêm tải
Giản đồ công suất máy phát với bộ tham số hiện hữu, từ giải thuật
di truyền (GA) khi sự cố và đóng thêm tải
Giản đồ điện áp kích từ với bộ tham số hiện hữu, từ giải thuật di
truyền (GA) khi sự cố và đóng thêm tải

3.26
3.27
3.28
3.29

3.30
3.31

Giản đồ tốc độ Rotor máy phát khi sự cố và đóng thêm tải
Giản đồ góc Rotor máy phát khi sự cố và đóng thêm tải
Giản đồ cơng suất máy phát khi sự cố và đóng thêm tải
Giản đồ điện áp kích từ máy phát khi sự cố và đóng thêm tải
Giản đồ dịng điện kích từ máy phát khi sự cố và đóng thêm tải
Giản đồ điện áp đầu cực máy phát khi sự cố và khi đóng thêm tải

60
60
61
61
61
62

3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24

51
52
53
54
55
55

57
57
58
59
59
60


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Máy phát điện đồng bộ nói chung đóng một vai trị trọng yếu trong hệ thống
điện, nơi mà tính ổn định ln được đòi hỏi rất cao. Trong hệ thống điện, sự ổn định
của mỗi một máy phát điện ở các khía cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất
định tới sự vận hành an toàn và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát điện đó
thì sự đóng góp của hệ thống kích từ với khả năng tự động điều chỉnh điện áp máy
phát và các thiết bị ổn định khác là khơng thể thiếu.
Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dịng điện một chiều cho cuộn dây kích
từ của máy phát điện đồng bộ. Nó phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động
dịng kích từ để đảm bảo chế độ làm việc ổn định, kinh tế với chất lượng điện năng cao
trong mọi tình huống.
Sự mất ổn định của hệ thống điện thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, công

suất làm việc của máy phát cần thay đổi theo. Do đó sụt áp trên điện kháng trong, điện
áp đầu cực máy phát bị biến thiên lệch khỏi trị số định mức. Nếu khơng có biện pháp
điều chỉnh thì độ lệch sẽ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.
Nhà máy thủy điện Hàm Thuận nằm trên lưu vực sông La Ngà thuộc hai tỉnh
Lâm Đồng và Bình Thuận với tổng công suất lắp đặt 2 tổ máy là 300 MW, sản lượng
điện bình quân hàng năm khoảng 1 tỷ KWh, nhà máy áp dụng công nghệ hiện đại và
thiết bị tiên tiến, được đấu nối vào hệ thống điện 220 kV Quốc gia. Với công suất lớn
được đấu nối vào hệ thống điện Quốc gia nên việc điều khiển và vận hành ổn định các
máy phát điện Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận đồng thời cũng góp phần vận hành ổn
định hệ thống điện, trong đó phải nói đến hệ thống kích từ điều khiển máy phát điện.
Hệ thống kích từ điều khiển máy phát tại Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận là
dịng kích từ tĩnh Unitrol_6800 của hãng ABB, được sử dụng để điều chỉnh điện áp
trong các hệ thống kích từ tĩnh của máy phát đồng bộ. Sản phẩm này là dòng thứ 6
trong dòng UNITROL của hãng ABB và được xây dựng trên nền tảng của các sản
phẩm trước nó.
Với mục đích nghiên cứu giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa bộ điều khiển kích
từ và mô phỏng đánh giá chức năng tự động điều khiển điện áp đầu cực máy phát
(AVR) có kết hợp với bộ ổn định hệ thống điện (PSS) đã được sử dụng cho mục đích
này. Vì vậy tơi chọn đề tài luận văn “Mơ phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều
khiển máy phát tại nhà máy thủy điện Hàm Thuận” làm đề tài nghiên cứu.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống kích từ Unitrol_6800 của hãng ABB
điều khiển máy phát Thủy điện tại Nhà máy Hàm Thuận.


2
2.2. Phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu các thiết bị chính Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận.
Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống kích từ, các loại hệ thống kích từ, các

chức năng điều khiển và bảo vệ của các loại hệ thống kích từ điều khiển máy phát điện
đồng bộ.
Tìm hiểu nguyên lý, các chế độ làm việc của hệ thống kích từ, các chức năng
điều khiển và bảo vệ của hệ thống kích từ Unitrol_6800 tại Nhà máy Thủy điện Hàm
Thuận.
Nghiên cứu giải thuật di truyền (GA) bằng công cụ Genetic Algorithm Tool
trong Matlab để tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát
Thủy điện Hàm Thuận.
Mô phỏng đánh giá kết quả chế độ điều khiển điện áp tự động (AVR) kết hợp với
chức năng ổn định hệ thống điện PSS4B.
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiếu nguyên lý làm việc của hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy
phát Thủy điện Hàm Thuận.
Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ
Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận.
Mô phỏng chức năng điều khiển điện áp tự động (AVR) có kết hợp với bộ ổn
định hệ thống điện PSS4B tại Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng kiểm
chứng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ứng dụng giải thuật di truyền (GA) trong tối ưu hóa bộ điều khiển kích từ
Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận giúp hệ thống làm việc ổn
định và tin cậy.
Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều
khiển máy phát Thủy điện Hàm Thuận ở chế độ điều khiển điện áp tự động (AVR) kết
hợp với chức năng ổn định hệ thống PSS4B, từ kết quả đạt được xem xét đề xuất lựa
chọn bộ ổn định PSS4B để hệ thống vận hành ổn định và tin cậy hơn.
6. Cấu trúc luận văn:
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn được chia thành

3 chương:
Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện Hàm Thuận.
Chương 2: Tìm hiểu hệ thống kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện
Hàm Thuận.
Chương 3: Tối ưu bộ điều khiển kích từ Unitrol_6800 điều khiển máy phát Thủy điện
Hàm Thuận bằng giải thuật di truyền và mô phỏng đánh giá kết quả.


3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN
1.1. GIỚI THIỆU CÔNG TY CỔ PHẦN THỦY ĐIỆN ĐA NHIM – HÀM
THUẬN – ĐA MI
Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi tiền thân là Nhà máy
Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi được thành lập vào ngày 21/5/2001 trên cơ
sở sáp nhập 2 cụm Nhà máy Thủy điện Đa Nhim - Sông Pha và Hàm Thuận - Đa Mi.
Công ty đang quản lý vận hành 4 nhà máy thủy điện: Đa Nhim, Sông Pha, Hàm Thuận
và Đa Mi gồm 13 tổ máy, với tổng công suất lắp đặt là 642,5MW, điện lượng bình
quân hàng năm khoảng 2,576 tỷ kWh.
Nhà máy Thủy điện Đa Nhim được khởi công từ năm 1961 và hồn thành năm
1964 gồm 4 tổ máy với tổng cơng suất 4 x 40 = 160 (MW).
Nhà máy Thủy điện Sông Pha được Công ty Điện lực 2 (nay là Tổng Công ty
Điện lực Miền Nam) khởi công năm 1991 và đưa vào hoạt động từ năm 1994, lắp đặt
5 tổ máy có tổng cơng suất 7,5 (MW).
Năm 2001, Tổng Công ty Điện lực Việt Nam giao nhiệm vụ cho Nhà máy Thủy
điện Đa Nhim tiếp quản và đưa vào vận hành Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận gồm 2
tổ máy với công suất lắp đặt là 2 x 150 = 300 (MW) và Nhà máy Thủy điện Đa Mi
gồm 2 tổ máy với công suất lắp đặt là 2 x 87,5 = 175 (MW), tại Bình Thuận và đổi tên
thành Nhà máy Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi.
1.2. TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN

1.2.1. Thông số tuyến năng lượng
1.2.1.1. Hồ chứa
Hồ Hàm Thuận được hình thành dọc theo sơng La Ngà và phụ lưu sông Đa Tro.
Chiều dài của hồ khoảng 9 km dọc theo sông La Ngà và 5 km dọc theo suối Đa Tro.
Lưu vực hồ Hàm Thuận là 1.280 km2.
Các thơng số chính của hồ:
Mực nước dâng bình thường MNDBT:
605 m
Mực nước chết MNC:
575 m
Dung tích tồn bộ:
695,2 triệu m3
Dung tích hữu ích:
522,5 triệu m3
Diện tích mặt thống ở MNDBT:
25,2 km2
Mực nước lũ thực tế (0,1%):
606,4 m
Mực nước lũ (0,05%):
607,3 m
1.2.1.2. Đập chính
Đập chính là loại đập đá đổ, có lõi giữa chống thấm có các đặc trưng sau:
Chiều cao đập lớn nhất:
93,5 m
Chiều dài theo đỉnh:
580 m


4
Cao trình đỉnh đập:

609,5 m
1.2.1.3. Đập tràn
 Các thơng số chính của đập tràn
Kênh dẫn vào: Mặt cắt hình thang, chiều rộng đáy là 74 m, dài 125 m.
Cửa tràn là loại cửa cung, rộng 11m, cao 11,5 m.
Ngưỡng tràn: Bằng bê tơng, cao trình đỉnh 594 m.
Dốc nước bằng bê tông, rộng 65 m, dài 86 m, tường cao 7 m, tiêu năng bằng mũi
phóng.
Kênh xả rộng 30 m, nền là đá sừng.
 Thiết bị ở đập tràn
Mục đích của thiết bị ở đập tràn là kiểm soát mực nước hồ chứa khi có lũ và duy
trì chức năng của cửa van.
Cửa sửa chữa
Cửa sửa chữa được sử dụng để sửa chữa cửa van. Cửa sửa chữa phân thành các
đoạn. Các thơng số chính của cửa:
Kiểu:
Cửa trượt bằng thép
Số lượng:
1 bộ
Nhịp:
11 m
Chiều cao cửa:
12,8 m
Cột nước tĩnh thiết kế:
12,5 m
Cao trình ngưỡng:
592,5 m
Điều kiện vận hành:
Cột nước cân bằng hoàn toàn
Thiết bị vận hành:

Cần trục tự hành
Khung thép dẫn hướng:
5 bộ
Cửa van và máy nâng ở đập tràn
Cửa van ở đập tràn dùng để điều tiết lưu lượng ở đập, để giữ mực nước và đảm
bảo nhu cầu nước hàng ngày cho việc phát điện phù hợp với điều kiện dòng chảy và để
xả lượng nước thừa trong mùa lũ. Cửa được nâng hạ bằng hệ thống tời điện. Các thơng
số thiết bị chính của cửa van và máy nâng:
Số lượng (cửa van, khung dẫn hướng, máy nâng):
5 bộ
Kiểu:
Cửa cung
Nhịp:
11 m
Chiều cao cửa:
11,6 m
Cột nước tĩnh thiết kế
11,1 m
Cao trình ngưỡng:
593,9 m
Thiết bị vận hành (tốc độ nâng hạ là 0,5 m/ph):
Tời điện
Nguồn cấp điện là nguồn xoay chiều.
1.2.1.4. Đập phụ
 Các thơng số chính của các đập phụ:


5
Đập phụ
No.1

No.2
No.3
No.4
Chiều cao đập
158
36
43
46
Chiều dài đập
222
232
140
110
1.2.1.5. Cửa lấy nước
Trong một cơng trình Thủy điện, chức năng của thiết bị ở cửa nhận nước là cung
cấp nước vào đường hầm dẫn nước và để ngưng cung cấp nước khi cần tiến hành công
việc kiểm tra và bảo dưỡng kết cấu tuyến năng lượng.
 Lưới chắn rác
Lưới chắn rác được lắp đặt ở đầu vào của cửa nhận nước phía trước cửa van để
giữ lại các vật trôi vào gây nguy hiểm cho đường dẫn.
Các thơng số chính của lưới chắn rác:
Số lượng:
2 bộ (lưới và khung dẫn hướng)
Kiểu:
Lưới thép dạng thẳng đứng và tháo lắp được
Nhịp:
7m
Chiều cao:
12 m
Cột nước thiết kế:

3 m (độ chênh cột nước ở 2 phía)
Điều kiện vận hành:
Cột nước cân bằng hoàn toàn
Thiết bị vận hành:
Cần trục chân dê
Dự phòng:
1 bộ
 Cửa sửa chữa
Cửa sửa chữa được lắp đặt để tiến hành kiểm tra và bảo dưỡng cửa van.
Các thơng số chính của cửa sửa chữa:
Số lượng:
1 bộ
Kiểu cửa sửa chữa:
Cửa bằng thép dạng trượt thẳng đứng
Nhịp:
7m
Chiều cao:
7m
Cột nước tĩnh thiết kế:
45 m
Cao trình ngưỡng:
560 m
Điều kiện vận hành:
Cột nước cân bằng hoàn toàn
Thiết bị vận hành:
Cần trục chân dê
 Cửa van
Kiểu cửa van lắp đặt tại cửa nhận nước là cửa bánh xe để cửa van có khả năng
đóng mở trong dịng chảy. Gioăng kín nước được lắp đặt ở mặt sau cửa van do đóng
cửa dưới áp lực cột nước cao.

Các thông số thiết kế chính của cửa van:
Số lượng:
1 bộ (cửa và khung dẫn hướng)
Kiểu cửa:
Cửa thép kiểu bánh xe
Nhịp cửa:
7m
Chiều cao cửa:
7m


6
Cột nước tĩnh thiết kế:
45 m
Cao trình ngưỡng:
560 m
Điều kiện vận hành:
Mở:
Cột nước cân bằng hồn tồn
Đóng:
Trong dịng chảy
Thiết bị vận hành:
Cần trục chân dê
1.2.1.6. Đường hầm và tháp điều áp
 Đường hầm
Đường hầm dẫn nước có tổng chiều dài 2.536 m. Chiều dày đất đá trên hầm từ
60÷200 m. Đường hầm được đào trong đá Granite và Granodiorite.
Đường hầm có tiết diện trịn, đường kính 7 m và vỏ bọc bê tông cốt thép.
 Tháp điều áp
Tháp điều áp là loại đơn giản. Dao động mực nước khi phụ tải thay đổi xảy ra

chậm và qúa trình tăng áp lực trong hầm cũng xảy ra chậm nên giảm được áp lực nước
va từ từ, như vậy thì thuận lợi cho vận hành Tua bin.
1.2.1.7. Đường ống áp lực
Đường ống dùng để dẫn nước đến tuabin. Khoảng cách từ tâm tua bin về phía
thượng lưu tới điểm đường ống phân nhánh là 52,8 m.
Tổng chiều dài đường ống là 1.013,7 m tính từ phía sau tháp điều áp 20 m đến
cửa van của nhà máy.
Các thơng số chính của đường ống thép như sau:
Số tuyến:
1
Kiểu đường ống:
Kiểu ngầm
Kiểu ống phân nhánh:
Escher Wyss
Đường kính:
7m – 5,4m – 4,8m – 2,8 m
Chiều dài:
1013,7 m
Cột nước tĩnh thiết kế:
288,5 m
1.2.1.8. Thiết bị hạ lưu
 Thiết bị ở hạ lưu
Kênh xả ở cao độ 320 m nối nhà máy Hàm Thuận với hồ Đa Mi. Cửa van được
lắp đặt giữa ống xả và kênh xả để tiến hành công việc kiểm tra và bảo dưỡng Tua bin.
 Cửa van
Các thông số của cửa van:
Số lượng:
Cửa:
2 bộ
Khung dẫn hướng:

4 bộ
Kiểu cửa:
Cửa thép kiểu trượt
Nhịp cửa:
3,75 m
Chiều cao cửa:
2,8 m


7
Cột nước tĩnh thiết kế:
14 m
Cao trình ngưỡng:
311 m
Thiết bị vận hành:
Palăng điện di động (tốc độ nâng 1 m/phút)
Điều kiện vận hành:
Cột nước cân bằn hoàn toàn
 Palăng điện
Palăng điện được dùng làm thiết bị nâng hạ cửa van ở hai ống.
Các thơng số chính của palăng:
Số lượng:
1 bộ
Kiểu:
Di động, điều khiển bằng điện
Trọng tải:
20 tấn
1.2.2. Các sơ đồ nối điện chính nhà máy
1.2.2.1. Sơ đồ nối điện 220 kV
Sơ đồ nối điện 220 kV nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (1) và phụ lục (2).

Sơ đồ trạm 220 kV Nhà máy Hàm thuận là sơ đồ hệ thống 2 thanh cái làm việc
song song được liên kết với nhau thông qua máy cắt kết giàn 200. Các mạch nguồn và
phụ tải được phân bố đều cả 2 thanh cái: Mạch nguồn và phụ tải lẻ được kết nối với
thanh cái lẻ (TC21), mạch nguồn và phụ tải chẵn được kết nối với thanh cái chẳn
(TC22), bao gồm 4 mạch đường dây:
- Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Đa Mi được kết nối với Trạm Nhà máy Đa
Mi thông qua máy cắt 271.
- Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Long Thành được kết nối với Trạm Long
Thành thông qua máy cắt 272.
Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Phan Thiết được kết nối với Trạm Phan
Thiết thông qua máy cắt 273.
- Mạch đường dây 220 kV Hàm Thuận – Bảo lộc được kết nối với Trạm Bảo Lộc
thông qua máy cắt 274.
Sơ đồ hệ thống 220 kV vận hành có những ưu điểm sau:
- Vận hành hai thanh cái song song nên đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao.
- Có thể sửa chữa, kiểm tra từng hệ thống thanh cái mà vẫn đảm bảo cho các mạch
làm việc.
- Mỗi mạch đường dây có DCL đường vịng được nối cố định với (TC21), dùng kết
hợp với máy cắt kết giàn 200 để thay thế hay sửa chữa một máy cắt hoặc DCL phát
tuyến mà mạch đường dây vẫn làm việc bình thường.
- Dễ triển khai phát triển thêm phụ tải trong tương lai.
1.2.2.2. Sơ đồ nối điện 110 kV
Sơ đồ nối điện 110 kV nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (3).
Sơ đồ trạm 110 kV Nhà máy Hàm thuận là sơ đồ hệ thống 1 thanh cái có thanh
cái vịng. Bình thường thanh cái (TC11) làm việc chính. Thanh cái (TC19) là thanh cái
vịng khơng mang điện, máy cắt 100B và DCL hai đầu 100B-1 và 100B-2 mở.


8
Bao gồm 3 phát tuyến được nối cố định với thanh cái (TC11) cấp nguồn cho

trạm Phan Thiết và Đức Linh, mỗi mạch đường dây có 1 DCL đường vịng được nối
cố định với (TC19), đồng thời kết hợp với máy cắt vòng 100B dùng để thay thế, sửa
chữa một máy cắt hay DCL của 1 phát tuyến, lúc đó mạch bảo vệ đường dây được
chuyển về máy cắt 100B bảo vệ.
Nguồn cho hệ thống 110 kV được lấy từ MBT 3T (220/110/22 kV) được kết nối
với trạm GIS thông qua hai ngăn máy cắt 233 và 133, cấp điện cho 3 phát tuyến 110
kV là:
- Mạch 110 kV Hàm Thuận – Phan Thiết 1 được kết nối với trạm Phan Thiết qua
máy cắt 171.
- Mạch 110 kV Hàm Thuận – Phan Thiết 2 được kết nối với trạm Phan Thiết qua
máy cắt 172.
- Mạch 110 kV Hàm Thuận – Mạch Đức Linh được kết nối với trạm Đức Linh qua
máy cắt 173.
1.2.2.3. Sơ đồ nối điện 22 kV
Sơ đồ nối điện 22 kV nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (4).
Nguồn cung cấp cho trạm 22 kV Nhà máy Hàm Thuận được cấp từ cuộn 22 kV
hạ áp của MBT 3T qua DCL 433-1 cấp cho thanh cái (TC41), qua máy cắt 411 cấp
cho thanh cái (TC43).
Thanh cái (TC41) là sơ đồ thanh cái có DCL phân đoạn 400-1. Cấp nguồn tự
dùng cho tổ máy H1 thông qua MBT 7T bằng máy cắt 435, cho tổ máy H2 thơng qua
MBT 8T bằng máy cắt 436.
Thanh cái (TC43) có 2 mạch phụ tải đi từ máy cắt 471 và 472.
Mạch phát tuyến 471 cung cấp tự dùng cho nhà máy Đa Mi và cửa nhận nước Đa
Mi thông qua máy cắt 471 và DCL 471.
Mạch phát tuyến 472 cấp điện cho các biến thế 1 pha và trạm Lòng Hồ, từ đó qua
tuyến 471 trạm Lịng Hồ cấp điện cho cửa nhận nước và đập tràn Hàm Thuận thông
qua máy cắt 472 và DCL 472.
Ngồi ra cịn cấp nguồn cho MBT tạo trung tính nối đất 9T dùng cho bảo vệ
chạm đất trong vùng từ nhà máy ra trạm 9T và phát tuyến 471,472. Tạo trung tính cho
các MBT một pha dọc theo các tuyến 471, 472.

1.2.2.4. Sơ đồ nối điện 400Vac
Sơ đồ nối điện 400 Vac nhà máy Hàm Thuận thể hiện phụ lục (5).
Nguồn tự dùng nhà máy được cấp từ 4 máy biến thế tự dùng nhằm tạo độ tin cậy
cao cho vận hành. Gồm 2 máy biến thế 5T và 6T nối vào đầu cực 2 tổ máy và 2 máy
biến thế 7T và 8T nối vào cuộn 22 kV của máy biến thế tự ngẫu 3T (220/110/22 kV).
Cuộn 22 kV còn được cung cấp nguồn cho cho trạm 22 kV Nhà máy Hàm Thuận để
cấp cho các phụ tải như: Đập Hàm Thuận, Đập Đa Mi và Nhà máy Đa Mi.


9
- Nguồn tự dùng của tổ máy 1 được lấy từ máy biến thế 5T (13,8/0,4 kV) qua máy
cắt 452-HS.5T hay máy biến thế 7T (22/0,4 kV) qua máy cắt 452 – HS.7T và được
liên hệ với nhau qua máy cắt 452 – 1C với các dao cách ly 489 HS.5T, 489
HS.5TE, 489 HS.7T.
- Nguồn tự dùng tổ máy H2 được lấy từ máy biến thế chính 6T (13,8/0,4 kV) qua
máy cắt 452 – HS.6T hay máy biến thế 8T (22/0,4 kV) và được liên hệ với nhau qua
máy cắt 452 -2C với các dao cách ly 489 HS.6T, 489 HS.6TE, 489 HS.8T.
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương 1 đã giới thiệu tổng quát về Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim - Hàm
Thuận – Đa Mi, các cơng trình chính về Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận và các sơ đồ
nối điện chính của Nhà máy cũng như các ưu khuyết điểm của sơ đồ nối điện trong
Nhà máy Thủy điện Hàm Thuận.


10
CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ UNITROL_6800 ĐIỀU KHIỂN MÁY
PHÁT THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN
2.1. TÌM HIỂU HỆ THỐNG KÍCH TỪ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG
BỘ

2.1.1. Chức năng của hệ thống kích từ [8]
Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dịng điện một chiều cho
cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và
bảo vệ nhằm đáp ứng công suất phản kháng cho hệ thống qua sự điều khiển điện áp
bằng cách điều khiển dòng điện kích từ.
Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố cơng suất và
nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của
máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác khơng được vượt quá các giới
hạn.
Các yêu cầu cơ bản của hệ thống kích từ cung cấp và tự động điều chỉnh dịng
kích từ của máy phát điện đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện
áp ở đầu ra biến thiên trong phạm vi “cho phép liên tục”. Các u cầu này có thể hình
dung từ đường cong hình V của máy phát. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt
độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp,… cần được quản lý công suất định
mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích từ biến thiên từ 2 ÷ 3,5
kW/MVA của định mức máy phát.
Ngoài ra hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng q độ bất ổn định với từ
trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của
máy phát ở đây xem như giới hạn bởi các yếu tố: Hư cách điện Rotor ở điện áp kích từ
cao, nóng Rotor ở dịng kích từ lớn, nóng Stator do dịng tải phần ứng lớn, lõi bị nóng
trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt do mật độ từ
trường cao (V/Hz). Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian, khả năng quá tải
ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ 15 ÷ 60 giây. Để đảm bảo sự sử dụng tốt của
hệ thống kích từ, cần thiết biết đầy đủ khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miển
không vượt quá giới hạn cho phép.
Hệ thống kích từ sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao
tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách
nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để
nâng cao độ ổn định tĩnh.
2.1.2. Các thành phần chính của hệ thống kích từ [8]

Sơ đồ khối của một hệ thống kích từ tiêu biểu thể hiện hình (2.1)
 Bộ kích từ:
Bộ kích từ có chức năng cung cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây tạo từ
trường của máy điện đồng bộ, tạo nên công suất của hệ thống.
 Bộ điều chỉnh điện áp (AVR):
Xử lý và khuếch đại tín hiệu điều khiển đầu vào là điện áp đầu cực máy phát để
tạo ra cách thức thích hợp nhằm điều khiển bộ kích từ. Nó bao gồm cả việc điều chỉnh
và chức năng ổn định hệ thống kích từ (mạng hồi tiếp hoặc bù sớm – trễ pha).


11
 Bộ biến điệp áp ra và bù tải:
Cảm nhận điện áp ra đầu cực máy phát, chỉnh lưu và lọc nó thành điện áp một
chiều, so sánh nó với một trị chuẩn (trị số đặt) là điện áp đầu ra máy phát mong muốn.
Ngoài ra bộ phận bù tải có thể được cung cấp (do sụt áp trên đường dây hoặc do công
suất phản kháng) nếu muốn giữ điện áp không đổi tại các điểm ở đầu cực máy phát (ví
dụ: Qua máy biến áp tăng áp). Bộ này còn được gọi là bộ tạo đặc tuyến điều chỉnh.
 Bộ ổn định hệ thống công suất:
Cung cấp thêm một tín hiệu ở ngõ vào để hạn chế dao động cơng suất của hệ
thống. Những tín hiệu ở ngõ vào thường dùng là độ lệch tốc độ Rotor, sự tăng công
suất và độ lệch tần số.
 Bộ hạn chế và bảo vệ:
Phần này bao gồm một hệ thống điều khiển và bảo vệ rộng nhằm đảm bảo khả
năng của bộ kích từ và máy phát đồng bộ khơng vượt q giới hạn. Thường sử dụng
bộ giới hạn dịng kích từ, bộ giới hạn kích từ cực đại, bộ giới hạn điện áp đầu cực máy
phát, bộ điều chỉnh và bảo vệ V/Hz và bộ giới hạn thiếu kích từ. Những mạch này
thường riêng biệt, các tín hiệu ở ngõ ra của chúng có thể đưa vào hệ thống kích từ
bằng một ngõ nhập tổng hay một cổng nhập.

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống kích từ máy phát điện

2.1.3. Phân loại hệ thống kích từ [8]
2.1.3.1. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện hình (2.2). Hệ thống kích từ loại này cịn được gọi
là DC – Exciter, bao gồm có máy phát điện một chiều (MFDC) và bộ điều khiển dịng
kích từ dựa trên các tín hiệu đo lường dịng điện và điện áp đầu ra của máy phát.
Máy phát điện một chiều có hai dây quấn kích từ KTDC1, KTDC2 và cuộn KTMF là
một cuộn kích từ của máy phát đồng bộ chính.


12
Khi khởi động, nhờ có từ dư ban đầu trên đầu cực máy phát kích thích sẽ xuất
hiện một điện áp ban đầu. Giá trị điện áp đó khoảng vài phần trăm điện áp danh định.
Khi có điện áp kích thích q trình tự kích sẽ diễn ra nhanh và đạt giá trị xác lập khi
điều chỉnh RDC = 0 (Ω), điện áp kích thích sẽ đạt tới điện áp giới hạn, dịng điện kích
thích đạt tới giới hạn. Để truyền động cho máy phát kích thích có thể dùng động cơ sơ
cấp độc lập hoặc được gắn đồng trục với máy phát.
Việc truyền động cho máy phát kích thích nhờ gắn đồng trục với máy phát chính
có ưu điểm là đơn giản, hạ giá thành, tốc độ quay ổn định và không phụ thuộc vào điện
áp lưới tự dùng. Tuy nhiên nó có nhược điểm cơ bản là khi cần sửa chữa máy kích
thích thì phải dừng máy phát điện chính và khơng thể thay thế được bằng nguồn kích
thích dự phịng. Ngồi ra tốc độ quay của tua bin hơi q lớn nên khơng thích hợp với
máy phát điện một chiều. Do đó, phương pháp này chỉ sử dụng ở các máy có cơng suất
nhỏ và tốc độ quay chậm.
Một phương pháp khác là sử dụng động cơ xoay chiều làm động cơ sơ cấp kéo
theo máy kích thích. Nếu động cơ sơ cấp sử dụng điện áp lưới thì có nhược điểm là
vận hành phức tạp, giá thành hệ thống kích từ cao, chịu ảnh hưởng của sự thay đổi tần
số và điện áp lưới (nhất là trong trường hợp sự cố).
Do đó, trong phương pháp này thì phương án sử dụng động cơ được cung cấp
điện từ máy phát điện xoay chiều nối cùng trục với máy phát điện chính phương án
này có nhiều ưu điểm hơn.

Nhược điểm của hệ thống kích từ dùng máy phát một chiều là khi cần cơng suất
kích thích lớn thì khó khăn cho việc chế tạo, đặc biệt là hệ thống chổi than cổ góp là
vấn đề làm hạn chế cơng suất của máy kích thích. Bên cạnh đó, hằng số thời gian của
hệ thống lớn và điện áp kích từ giới hạn không cao dẫn đến phạm vi điều chỉnh dịng
kích từ hẹp và khả năng điều chỉnh chậm. Chính vì vậy, hệ thống kích từ loại này chỉ
phù hợp cho các máy phát điện vừa và nhỏ.

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ một chiều


13
2.1.3.2. Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện hình (2.3). Hệ thống này còn được gọi là AC –
Exciter loại Static Diode. Trong đó máy phát điện xoay chiều tần số cao được chế tạo
theo kiểu cảm ứng, trong đó cuộn dây kích từ đặt ở phần tĩnh và Rotor của nó khơng
có cuộn dây. Do kết cấu rãnh của Rotor mà khi nó quay làm cho từ thơng thay đổi.
Cuộn dây kích thích KTAC2 được nối tiếp với phụ tải là cuộn kích thích KTMF của
máy phát điện đồng bộ. Trục của máy phát chính quay thì máy phát kích thích phát ra
điện áp cấp cho bộ chỉnh lưu để đưa ra dịng một chiều cấp cho mạch kích từ của máy
phát đồng bộ. Việc điều chỉnh dịng điện kích thích của máy phát chính được thực hiện
bởi bộ tự động điều chỉnh dịng điện kích thích của máy phát chính được thực hiện bởi
bộ tự động điều chỉnh dịng kích từ trong cuộn dây KTAC1 thơng qua các tín hiệu phản
hồi từ các khối đo lường điện áp dòng điện.
Ưu điểm của hệ thống này kích thích loại này là khả năng tạo ra cơng suất kích
thích tương đối lớn và có thể áp dụng cho các máy phát điện có cơng suất từ 100 MW
đến 300 MW. Dịng điện một chiều sau khi chỉnh lưu có chất lượng ổn định (độ bằng
phẳng cao). Ngoài ra, thiết bị làm việc với tần số cao cịn có khả năng chống được
nhiễu cơng nghiệp.
Nhược điểm của nó chính là có vành trượt và chổi điện để cung cấp dịng kích
thích cho máy phát chính cho nên cơng suất bị hạn chế. Ngồi ra, hệ thống này cịn có

hằng số thời gian lớn nên độ tác động nhanh khơng cao.

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống kích từ dùng máy phát phụ
2.1.3.3. Hệ thống kích từ tĩnh
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện hình (2.4). Các hệ thống kích từ đã trình bày ở
trên đều có một điểm chung là thời gian tác động lớn (hằng số thời gian kích từ T e lớn
bởi quá tính điện từ của máy phát kích thích).


14
Đây là một nhược điểm khiến cho yêu cầu kỹ thuật về chất lượng điện năng và
tính ổn định của hệ thống điện rất khó được đảm bảo. Giải pháp cho vấn đề này là phải
làm cho tín hiệu của bộ điều chỉnh tự động tác động trực tiếp vào điện áp kích từ, nhờ
đó hằng số thời gian Te giảm xuống.
Dây quấn kích thích của máy phát đồng bộ được cấp dịng điện một chiều nhờ bộ
chỉnh lưu có điều khiển. Nguồn điện cấp cho bộ chỉnh lưu là loại chỉnh lưu cầu 3 pha
có điều khiển. Bộ điều chỉnh kích thích nhận các tín hiệu phản hồi dịng điện và điện
áp, điều chỉnh trực tiếp khối mạch chỉnh lưu, do đó thời gian tác động là rất nhanh.
Chính vì thế, hệ thống kích từ loại này được ứng dụng rọng rãi trong các máy
phát cơng suất trung bình và lớn, có yêu cầu về chất lượng điều chỉnh cao.

Hình 2.4: Sơ đồ ngun lý hệ thống kích từ tĩnh
2.1.4. Các bộ hạn chế và bảo vệ [8]
2.1.4.1. Bộ giới hạn kém kích thích
Bộ giới hạn thiếu kích thích từ dùng để ngăn chặn sự giảm kích từ của máy phát
tới mức mà giới hạn ổn định tín hiệu nhỏ (trạng thái xác lập) hoặc là vùng giới hạn
nhiệt lõi Stator bị vượt quá. Bộ giới hạn này được biết qua những tên khác nhau như
bộ giới hạn thiếu kích từ dịng phản kháng và bộ giới hạn kích từ cực tiểu.
Tín hiệu điều khiển của bộ giới hạn thiếu kích từ được lấy từ sự kết hợp hoặc là
điện áp và dịng điện, hoặc là cơng suất tác dụng và phản kháng của máy phát. Các

giới hạn xác định bằng tín hiệu vượt q giá trị đặt. Có nhiều cách để bổ sung chức
năng thực hiện của bộ giới hạn thiếu kích từ. Một số bộ giới hạn thiếu kích từ hoạt
động theo tín hiệu sai số điện áp của bộ AVR. Khi bộ giới hạn thiếu kích từ khởi động,
một phần tử khơng tuyến tính (như Diode) bắt đầu dẫn tín hiệu ngõ ra của bộ giới hạn
được kết hợp với các tín hiệu điều khiển khác của hệ thống kích từ.
Sự cài đặt đặc tính của bộ giới hạn thiếu kích từ sẽ đặt nền tảng cho bảo vệ, như
bảo vệ hệ thống bất ổn định hoặc là cuộn dây Stator phát nóng. Ngồi ra đặc tính của
bộ giới hạn cịn được phối hợp với bộ bảo vệ mất kích từ máy phát. Hình (2.5) trình


15
bày cách mà đặc tính của bộ giới hạn thiếu kích từ (tượng trưng bằng mặt phẳng P –
Q) thường sử dụng kết hợp với tính tốn ổn định tín hiệu nhỏ và đặc tính Rơ le chống
mất kích từ. Nếu bộ giới hạn thiếu kích từ được sử dụng để bảo vệ chống lại vùng phát
nóng, sự kết hợp theo cách tương tự, ngoại trừ giới hạn ổn định được thay thế bằng
giới hạn phát nóng.

Hình 2.5: Sự phối hợp giữa các phần tử thiếu, mất kích từ và giới hạn ổn định
2.1.4.2. Bộ giới hạn quá kích thích
Mục đích của bộ giới hạn quá kích từ là bảo vệ máy phát khơng bị q nhiệt do
q dịng kích từ. Bộ giới hạn này còn được biết như bộ giới hạn kích từ cực đại.
Cuộn kích từ máy phát được thiết kế hoạt động liên tục tại một giá trị đáp ứng tải
định mức. Nhiệt độ phát nóng thì cuộn kích từ Rotor máy phát quá tải được thiết kế
theo tiêu chuẩn. Hiện nay, việc bổ sung chức năng giới hạn quá kích từ thay đổi tùy
thuộc vào máy phát và khối chức năng tiêu biểu. Chức năng đặc trưng của bộ giới hạn
kích từ là phát hiện ra dịng kích từ cao, sau thời gian trễ, tác động thông qua bộ điều
chỉnh AC nhằm làm giảm độ dốc kích từ đến giá trị đã đặt trước (khoảng 100 ÷ 110%
dịng kích từ định mức). Nếu khơng đạt, nó sẽ cắt bộ điều chỉnh AC, chuyển điều
khiển đến bộ DC và xác định lại điểm đặt ở một giá trị đáp ứng đạt trị số định mức.
2.1.4.3. Bộ giới hạn bảo vệ V/Hz

Bộ giới hạn V/Hz được sử dụng để bảo vệ máy phát và máy biến áp để khơng bị
hư hỏng do vượt q dịng từ hóa – kết quả của tần số thấp và quá điện áp. Dịng từ
hóa vượt q liên tục có thể là ngun nhân chủ yếu của sự quá nhiệt. Kết quả là có
thể làm hư hỏng máy biến áp và cuộn dây máy phát.
Bộ giới hạn V/Hz (hoặc bộ điều chỉnh V/Hz) điều khiển điện áp kích từ cũng như
giới hạn điện áp máy phát khi giá trị V/Hz vượt quá trị số đặt trước.