Xây dựng mô hình máy phát – turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

5 4 0
Xây dựng mô hình máy phát – turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

Bài viết Xây dựng mô hình máy phát – turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ giới thiệu cơ sở lý thuyết và phương pháp xây dựng mô hình hệ máy phát – turbine nhiệt điện trong MATLAB phục vụ nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 61 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT – TURBINE NHIỆT ĐIỆN TRONG MATLAB PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CỘNG HƯỞNG TẦN SỐ DƯỚI ĐỒNG BỘ MODELING AND SIMULATION OF THERMAL TURBINE – GENERATORS IN MATLAB ENVIROMENT FOR SUBSYNCHRONOUS RESONANCE ANALYSIS Trương Ngọc Minh, Lê Đức Tùng, Nguyễn Hoàng Việt, Nguyễn Thành Đức, Lê Gia Thi Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; minh.truongngoc@hust.edu.vn, tung.leduc1@hust.edu.vn, viet.nguyenhoang1@hust.edu.vn, nguyenthanhduc1994@gmail.com, giathi95@gmail.com Tóm tắt - Bài báo giới thiệu sở lý thuyết phương pháp xây dựng mô hình hệ máy phát – turbine nhiệt điện MATLAB phục vụ nghiên cứu tượng cộng hưởng tần số đồng (SSR) Mơ hình sử dụng hệ toạ độ dq0 nhằm loại bỏ phụ thuộc thành phần tự cảm hỗ cảm vào vị trí rotor biểu diễn hệ tọa độ pha abc Hơn nữa, mơ hình mở rộng với số lượng khối tuỳ ý trục tuabin Sơ đồ chuẩn IEEE First Benchmark System sử dụng để mô Các dao động SSR tuabin với máy phát khối tuabin quan sát trực quan dễ dàng Các kết mô khẳng định tương đồng mơ hình xây dựng MATLAB so với kết mơ hình phần mềm EMTP công bố Abstract - This paper presents the problem of modeling synchronous generators, turbine-generator mechanical system in highly versatile MATLAB software for analysis of Subsynchronous Resonance (SSR) in power systems The proposed model uses the d–q model to eliminate the dependence of inductances on rotor position Moreover, the model can be applied for all types of multimass turbines In this paper, the IEEE First Benchmark system for Subsynchronous resonance is simulated for comparison The oscillations due to SSR are easily observed between turbinegenerators and between various turbine shafts Simulation results also confirm the validity of the proposed model compared to the model developed in EMTP software Từ khóa - cộng hưởng tần số đồng bộ; máy phát điện đồng bộ; mơ hình dq; hệ turbine – máy phát điện; tụ bù dọc đường dây Key words - SSR; synchronous generators, dq model; turbine – generator mechanical system; series compensation Đặt vấn đề Sự cố cộng hưởng tần số đồng SSR xảy nhà máy nhiệt điện Mohave - Mỹ vào năm 1970 1971 gây hư hỏng nghiêm trọng trục turbine - máy phát nhà máy [1] Nguyên nhân cố xác định tụ bù dọc đường dây truyền tải nối nhà máy với hệ thống điện Mỹ Như biết, bù dọc đường dây biện pháp kỹ thuật nhằm tăng khả tải đường dây truyền tải điện xoay chiều, điều khiển phân bố công suất đường dây làm việc song song với nâng cao ổn định động hệ thống [2] Sau cố xảy nhà máy Mohave, nhiều nghiên cứu thực để phân tích SSR, nghiên cứu quan hệ ảnh hưởng tụ bù dọc đường dây với momen tương tác xoắn turbine máy phát nhà máy nhiệt điện, biện pháp hạn chế SSR Hiện nay, phương pháp thường dùng để mô nghiên cứu tượng SSR phân tích trị riêng, phân tích momen độ quét tần số Trong đó, phương pháp trị riêng có ưu điểm so với phương pháp lại xác định xác tần số gây cộng hưởng dễ dàng đánh giá mức độ nguy hiểm mode cộng hưởng hệ turbine – máy phát Để sử dụng phương pháp trị riêng nghiên cứu tượng SSR, việc xây dựng mơ hình hệ máy phát nhiệt điện đồng - tuabin vô quan trọng Phần mềm EMTP xây dựng hệ turbine – máy phát phục vụ nghiên cứu SSR mơ hình khơng rõ tần số cộng hưởng tương ứng với mode dao động Một mơ hình hệ tuabin – máy phát đơn giản gồm khối xây dựng MATLAB Tuy nhiên, nhược điểm mơ hình tính xác cịn thấp khơng phù hợp với nhà máy nhiệt điện đại có số khối trục tuabin – máy phát lớn Vì vậy, báo giới thiệu cách thức xây dựng mơ hình hệ tuabin - máy phát nhiệt điện đồng pha (MFĐ) đầy đủ môi trường MATLAB cho nghiên cứu tượng SSR Nội dung báo gồm phần Đầu tiên, tác giả trình bày sở lý thuyết, mơ hình tốn học biểu diễn hệ máy phát – turbine nhiệt điện đồng pha Mục Dựa phương trình vi phân tốn học Mục 2, mơ hình đầy đủ mơ máy phát hồn mơi trường MATLAB trình bày Mục Mục kết mô kiểm chứng khẳng định tính đắn mơ hình xây dựng với sơ đồ chuẩn First Benchmark (FBM) Các kết luận liên quan đến nội dung báo trình bày Mục Mơ hình tốn học biểu diễn máy phát nhiệt điện đồng pha Xét MFĐ đồng pha Hình 1, sử dụng hệ tọa độ pha phương trình vi phân toán học biểu diễn máy phát phải xây dựng cho pha Hình Sơ đồ thay máy phát đồng Trương Ngọc Minh, Lê Đức Tùng, Nguyễn Hoàng Việt, Nguyễn Thành Đức, Lê Gia Thi 62 Định nghĩa thơng số chính: a, b, c : pha a, b, c  2H f ,g : cuộn kích từ trục d trục q Trong đó: kd , kq : cuộn cản dọc trục ngang trục xls , xlf  : góc lệch rotor stator r , e : tốc độ góc rotor tốc độ điện vd , vq : điện áp trục d trục q d , q : từ thông trục d trục q Tmech , Tem : mô-men mô-men điện     P     1    2    cos     3    2    sin     3   cos  2   cos     3   sin  2   sin     3   D Là độ cản khối dt  xls  'f • Khối HP: d  1  H1 d  1  dt dt  THP  K12   1   D1  1    1  0 • Khối IP: d  2  2H d   dt  TIP  K12   1   K 23      D2  2  dt   2  0 2H3 (3) d   dt  TLPA  K 23      K 34      D3  3    3  0  md dt xlf' • Khối 𝐿𝑃𝐵 : Phương trình momen Rotor: Tem ( pu )  Tmech ( pu )  Tdamp ( pu ) d (r / b )  2H dt (5) • Khối 𝐿𝑃𝐴 : d  3  xls  d  md  i góc quay khối thứ i Hệ phương trình chuyển động quay trục turbine – máy phát gồm khối biểu diễn sau: Hệ phương trình dịng điện máy phát:  q  mq i 'f Trong đó: H số quán tính khối (1) 2.1 Hệ phương trình vi phân mơ tả máy phát điện Mơ hình máy phát đồng biểu diễn hệ tọa độ dq0 bao gồm phương trình vi phân miêu tả đại lượng điện áp, dòng điện, từ thơng… sau: Hệ phương trình điện áp máy phát: d q d vq  rs iq   d r dt dt (2) d d d r vd  rs id   q id  Hình Cấu trúc khí hệ trục turbine khối K hệ số cứng khớp trục khối Ví dụ: vqd0  P(r ).vabc iq  : tốc độ góc bản, rad/s 2.2 Hệ phương trình hệ turbine - máy phát Khác với máy phát thủy điện, trục turbine máy phát nhiệt điện có cấu tạo đặc trưng riêng bao gồm nhiều khối khác Mỗi khối có hình dáng, nhận lượng sơ cấp tốc độ quay khác ghép nối thông qua khớp trục, tạo thành hệ thống dt : momen cản b : từ thơng từ hóa trục d trục q Tdamp Vì vậy, với nghiên cứu q trình q độ MFĐ mơ hình biểu diễn hệ tọa độ pha phức tạp, thành phần tự cảm hỗ cảm cuộn dây thay đổi theo tốc độ vị trí rotor [2] Để loại bỏ phụ thuộc thành phần tự cảm hỗ cảm vào vị trí rotor giảm khối lượng tính tốn, nhóm tác giả sử dụng hệ dq, trục d(trục dọc) nằm tâm dọc theo cực từ trục q (trục ngang) lệch pha vượt trước trục d góc 90°.Việc chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ dq0 thực phép biến đổi Park [2] dt : điện kháng rị stator cuộn kích từ  md ,  mq : dòng điện trục d trục q id , iq d r  e  / b  2H (4) ( d Dw dt ) =T LPB ( ) = ( Dw )w dt d d4 ( ) ( ) ( + K 34 d - d - K 45 d - d - D4 Dw ) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển • Khối GEN: 2H5 ( d Dw dt ) = K (d 45 ( ) = ( Dw )w dt ) ( ) ( - d - K56 d - d - Te - D5 Dw ) Khối VIPQ có nhiệm vụ tính tốn tín hiệu điện áp, dịng điện cơng suất đầu máy phát từ tín hiệu dịng điện điện áp hệ quy chiếu qd0   P  Real  vq  jvd  iq  jid  *  vq iq  vd id d d5 63 {( )} )( (6) Q = Imag vq - jvd iq - jid * = vqid - vd iq • Khối EXC: 2H ( d Dw dt ) =T EXC ( ) = ( Dw )w dt ( ) ( + K56 d - d - D6 Dw ) d d6 Cần phải lưu ý hệ phương trình vi phân (5) mở rộng với hệ thống trục turbine gồm n khối Mơ hình máy hệ turbine máy phát môi trường MATLAB Trên sở phương trình vi phân Mục 2, mơ hình mơ MFĐ xây dựng MATLAB/Simulink Hình Hình Cấu tạo khối VIPQ Kết mơ sơ đồ chuẩn FBM Hình Sơ đồ chuẩn First Benchmark Ở đây, khối abc2qd0 thực phép biến đổi Park để chuyển đổi thông số từ hệ abc sang hệ dq0 qd_gen khối máy phát biểu diễn phương trình vi phân máy phát (2), (3), (4) phương trình chuyển động quay trục turbine (5) Dien ap stator may phat 1.1 |Vt| Hình Sơ đồ mơ máy phát đồng pha Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng máy phát, hệ thống có thơng số đưa mơ hình chuẩn First Benchmark IEEE [4] thực mô nhằm: - Kiểm chứng tính xác mơ hình máy phát xây dựng; - Ứng dụng mơ hình máy phát đồng xây dựng vào phân tích, đánh giá tượng SSR 4.1 Chế độ làm việc MFĐ Kịch mô phỏng: - Chế độ xác lập; - Tăng sức điện động ngang trục máy phát thêm 10% thời điểm giây Kết mô phỏng: 0.9 10 10 10 10 Cong suat tac dung Pgen 1.02 0.98 Cong suat phan khang Qgen 0.2 -0.2 Delta Goc cong suat 0.8 Hình Kết mơ chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, sau giây, tín hiệu ổn định khơng thay đổi Hình Cấu tạo khối qd_gen Trương Ngọc Minh, Lê Đức Tùng, Nguyễn Hoàng Việt, Nguyễn Thành Đức, Lê Gia Thi 64 cố ngắn mạch xảy đường dây gây tượng SSR nguy hiểm cho turbine - máy phát Kết mô phỏng: Dien ap stator may phat |Vt| 1.1 0.9 10 Cong suat tac dung Capacitor phase a voltage Pgen 1.02 0.98 -2 10 Qgen -5 10 Goc cong suat 0.2 0.3 0.4 Generator phase a current 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.3 0.4 Generator electrical torque 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.3 0.4 Shaft torque, LPA-LPB 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.3 0.4 Shaft torque, GEN-EXC 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.5 0.6 0.7 -5 Delta 0.1 0 -0.2 Cong suat phan khang 0.2 0.8 10 -5 Hình Kết mơ kịch tăng sức điện động ngang trục Khi điện áp đầu cực máy phát giữ không đổi, việc tăng sức điện động ngang trục kéo theo dịng kích từ tăng, làm công suất phản khảng tăng theo Tuy nhiên, công suất tác dụng máy phát không đổi, nên cơng suất phản kháng tăng, dẫn đến góc cơng suất giảm Các thơng số cịn lại khơng thay đổi 4.2 Mô tượng SSR Sử dụng mô hình hệ tuabin - máy phát xây dựng, sơ đồ chuẩn FBM xây dựng Matlab Hình Hình Mơ hình First Benchmark MATLAB Khối gen biểu diễn máy phát nhiệt điện đồng pha Tại nút, tín hiệu dịng điện đưa vào khối Shuntcap để tính tốn tín hiệu điện áp vị trí Khối Series RL dùng để thay cho điện trở, điện kháng máy biến áp đường dây Cuối cùng, khối Cap mơ hình mơ tụ bù dọc đường dây truyền tải Giá trị dung lượng bù thay đổi tuỳ ý Kịch mô phỏng: Nhà máy phát công suất vào hệ thống qua máy biến áp tăng áp đường dây truyền tải có lắp đặt tụ bù dọc Nút hệ thống thay nút vơ lớn có điện áp pu Tại thời điểm 0,2 giây, -2 0.3 0.4 Hình 10 Kết tiến hành mơ thực tế Kết mơ cho thấy mơ hình mơ thực tế MATLAB cho kết hoàn toàn tương đồng với kết đưa IEEE mô phần mềm EMTP [4] Như vậy, mơ hình mơ xây dựng báo xác sử dụng vấn đề nghiên cứu sâu SSR Kết luận Bài báo trình bày sở lý thuyết cách thức xây dựng mơ hình hệ máy phát – turbine nhiệt điện gồm khối phục vụ nghiên cứu tượng SSR Ưu điểm mơ hình mở rộng tuỳ ý số khối hệ máy phát – turbine Kết mô khẳng định tính đắn mơ hình xây dựng Trên sở kết bước đầu này, nhóm tác giả thực tiếp nghiên cứu phân tích biện pháp hạn chế tượng SSR TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.N.Walker, C.E Bowler, R.L Jackson and D.A Hodges, “Results of subsynchronous resonance test at Mohave”, IEEE Transactions on PAS, Sept/Oct (1975) 1878- 1889 [2] P Kundur, Power System Stability and Control, Mc Graw Hill, Inc., 1994 [3] C M Ong, Dynamic Simulations of Electric Machinery: Using Matlab/Simulink, New Jersey, Prentice Hall, 1998 [4] 1994 IEEE, “First Benchmark Model for computer simulation of Subsynchronous Resonance”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol, PAS-96, Sept/Oct 1977 [5] P M Anderson, “Subsynchronous Resonance in Power Systems”, Wiley-IEEE Press, 1999 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển PHỤ LỤC LPA Thông số sơ đồ lưới chuẩn First Benchmark [4] Tất thông số cho hệ đơn vị máy phát với Scb =892MVA, U cb  500kV LPB 1.1 Thông số lưới hệ thống GEN Thông số Thành phần thứ tự thuận Thành phần thứ tự không RDZ 0,02 0,5 X BA 0,14 0,14 X DZ 0,5 1,56 X HT 0,06 0,06 XC 0,35 0,35 0,85867 LPA-LPB 52,038 0,884215 LPB-GEN 70,858 0,868495 GEN-EXC Bảng Thông số hệ thống điện sơ đồ FBM EXC 65 2,822 0,0342165 Kết mô tượng SSR IEEE phần mềm EMTP 1.2 Thông số máy phát điện Bảng Thông số máy phát sơ đồ FBM xd  1, 79 pu xd'  0,169 pu  0,135 pu xq  1, 71 pu xd" xq'  0, 228 pu xq"  0, pu ' Tdo  4,3 s " Tdo  0,032 s ' Tqo  0,85 s " Tdo  0, 05 s Rl  xL  0,13 pu 1.3 Thông số trục turbine máy phát Bảng Thông số trục turbine - máy phát sơ đồ FBM Khối Trục HP H (s) K (pu) (Torque/rad) 0,092897 HP-IP IP 19,303 0,155589 IP-LPA 34,929 Hình 11 Kết mơ IEEE EMTP (BBT nhận bài: 09/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 19/05/2017) ... thức xây dựng mơ hình hệ máy phát – turbine nhiệt điện gồm khối phục vụ nghiên cứu tượng SSR Ưu điểm mơ hình mở rộng tuỳ ý số khối hệ máy phát – turbine Kết mơ khẳng định tính đắn mơ hình xây dựng. .. trục turbine – máy phát gồm khối biểu diễn sau: Hệ phương trình dịng điện máy phát:  q  mq i ''f Trong đó: H số qn tính khối (1) 2.1 Hệ phương trình vi phân mơ tả máy phát điện Mơ hình máy phát. .. chuẩn FBM xây dựng Matlab Hình Hình Mơ hình First Benchmark MATLAB Khối gen biểu diễn máy phát nhiệt điện đồng pha Tại nút, tín hiệu dịng điện đưa vào khối Shuntcap để tính tốn tín hiệu điện áp

Ngày đăng: 25/11/2022, 21:23

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan