Đề tài điều khiển turbine thuỷ điện bằng công nghệ cao

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TURBINE THUỶ ĐIỆN Học viên: TRẦN VINH PHÚ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. NGUYỄN VĂN LIỄN THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên t nu . e du . v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Trần Vinh Phú Lớp: CHTĐH-K10 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Văn Liễn Ngày giao đề tài: 15/02/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2009 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS: Nguyễn Văn Liễn HỌC VIÊN Trần Vinh Phú LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dƣới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Ngƣời cam đoan Trần Vinh Phú Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 t nu . e du . v n MỤC LỤC Lời cam đoan 1 Lời nói đầu 5 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 7 1.1. Máy phát điện 7 1.2. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện 10 1.2.1. Tình hình phát triển thuỷ điện 10 1.2.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện 11 1.2.3. Phân loại nhà máy thuỷ điện 11 1.2.4. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện 14 1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện 19 CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CỦA TURBINE 25 2.1. Khái niệm cơ bản 25 2.2. Phân loại các loại Turbine 26 2.2.1 Turbine phản kích 27 2.2.2 Turbine hƣớng trục 27 2.2.3 Turbine tâm trục 28 2.2.4 Turbine hƣớng chéo 29 2.2.5 Turbine xung lực 30 2.2.6 Turbine gáo 30 2.2.7 Turbine tia nghiêng 31 2.2.8 Turbine tác dụng kép 31 2.3. Cấu tạo Turbine Kaplan 32 2.3.1 Buồng Turbine 32 2.3.2 Stato 33 2.3.3 Bộ phận hƣớng nƣớc 33 2.3.4 Bánh xe công tác Turbine 34 2.3.5 Trục và ổ trục 35 2.3.6 Các bộ phận phụ của turbine 35 2.4. Các thong số đặc tính Turbine 36 2.4.1.Cột áp Turbine 36 2.4.2. Lƣu lƣợng Turbine 36 2.4.3. Công suất 37 2.4.4. Hiệu suất 37 2.4.5. Đƣờng kính bánh xe công tác và số vòng quay của Turbine 38 2.5. Hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc 38 2.5.1.Các yêu cầu với hệ điều tốc Turbine 38 2.5.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Turbine 39 2.5.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine 41 2.5.4. Phân loại bộ điều tốc 44 2.5.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc 50 2.5.6. Tính toán thông số chính của điều tốc Turbine 53 CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE 60 3.1. Đặt vấn đề 60 3.2. Mô hình toán học 61 3.2.1. Khâu Turbine 61 3.2.2. Khâu khuếch đại 62 3.2.3. Các khâu đo 63 3.3. Tổng hợp hệ thống 64 3.3.1. Tổng hợp mạch vòng vị trí 64 3.3.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 65 3.3.3.Mô phỏng hệ thống điều chỉnh turbine 67 CHƢƠNG IV: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU CHỈNH TURBINE 71 4.1. Giới thiệu chung 71 4.2. Cơ sở lý thuyết về điều chỉnh LQ 71 4.2.1. Bộ điều chỉnh LQR 71 4.2.2. Bộ điều khiển LQG 73 4.2.2.1. Bài toán tuyến tính có nhiễu 73 4.2.2.2. Bộ quan sát trạng thái (lọc) Kalman 74 4.2.2.3. Bộ điều chỉnh phản hồi đầu ra LQG 75 4.2.2.4. Loop Transfer Recovery 76 4.3. Phân tích tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc 77 4.3.1. Phân tích tính điều khiển đƣợc 77 4.3.2. Phân tích tính quan sát đƣợc 79 4.4. Thiết kế bộ điều chỉnh LQ 80 4.4.1. Thiết kế bộ điều chỉnh LQR 80 4.4.1.1. Xây dựng cấu trúc bộ điều chỉnh LQR 80 4.4.1.2. Tính chọn tham số của bộ điều khiển 82 4.4.1.3. Kết quả mô phỏng 83 4.4.2. Thiết lập bộ điều chỉnh LQG 85 4.4.2.1. Xây dựng cấu trúc bộ điều chỉnh khiển LQG 85 4.4.2.2. Tính chọn tham số bộ điều khiển 86 4.4.2.3. Kết quả mô phỏng 87 4.4.2.4. Loop Transfer Recovery 87 4.5. Điều khiển LQ cho mô hình phi tuyến 90 4.5.1. Điều khiển LQR cho mô hình phi tuyến 90 4.5.2. Điều khiển LQG cho mô hình phi tuyến 90 4.6. Kết luận chƣơng 93 KẾT LUẬN 95 Tài liệu tham khảo 98 LỜI NÓI ĐẦU Turbine thuỷ là thiết bị quan trọng trong nhà máy thuỷ điện, việc điều chỉnh tốc độ Turbine thuỷ điện quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật của nhà máy điện, khả năng ổn định tần số của máy phát. Thực tế đã có nhiều nghiên cứu về Turbine thuỷ điện và các phƣơng pháp điều tốc Turbine thuỷ điện. Trong phạm vi luận văn này tôi tập trung nghiên cứu lý luận tổng quan, phƣơng pháp thiết kế, xây dựng bộ điều tốc Turbine thuỷ điện, … và đƣa ra phƣơng án nâng cao chất lƣợng bằng điều khiển LQ . Trong thời gian không dài, luận văn đã đƣợc hoàn thành các yêu cầu đặt ra khi tính toán thiết kế hệ thống điều tốc Turbine thuỷ điện. Xây dựng đƣợc hệ thống điều khiển với đầy đủ các chức năng đồng thời nghiên cứu, phát triển bằng điều khiển Linear Quadratic. Luận văn gồm 2 phần liên quan chặt chẽ với nhau, phần 1 nghiên cứu Xây dựng hệ thống điều chỉnh Turbine thuỷ lực và phần 2 nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện. Toàn bộ luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng: - Chương I: Tổng quan - Chương II: Cấu trúc và hệ điều chỉnh Turbine - Chương III: Tổng hợp hệ thống điều tốc Turbine - Chương IV: Nâng cao chất lượng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn tôi đã hoàn thành đồ án đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đề tài. Do thời gian và kinh nghiệm có hạn, vấn đề điều tốc Turbine là vấn đề quan trọng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên luận văn còn nhiều điểm cần tiếp tục nghiên cứu phát triển trong tƣơng lai. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Sau thời gian thực hiện, đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành với kết quả tốt. Trƣớc thành công này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này, tôi cũng xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới các anh các chị trong Trung tâm Công nghệ cao Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội cũng nhƣ gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Ngày . . .tháng …. năm 2009 Học viên: Trần Vinh Phú CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Máy phát điện Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện, điện năng ba pha được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản suất từ các máy phát điện quay bằng Turbine hơi, Turbine khí hoặc Turbine nước. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng. Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng. Máy phát điện đồng bộ: Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi các Turbine hơi hoặc Turbine nước. Máy phát Turbine hơi có tốc độ quay cao hơn do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy nằm ngang. Máy phát Turbine nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nói chung trục máy được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng Điêzen thường có cấu tạo cực lồi. Kết cấu: Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta xét riêng rẽ kết cấu của máy cực ẩn và máy cực lồi. a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn. Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của Rôto là 3000 vòng/ phút và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Roto, đường kính d của Roto Luận văn tốt nghiệp Cao học 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên t nu . e du . v n [...]... bơm ra khỏi nhà máy bằng máy bơm tự đóng mở tự động bằng rơle phao 1.2.5 Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện 1.2.5.1 Hệ điều chỉnh công suất tác dụng nhà máy thuỷ điện Điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh lượng công suất điện tử của máy phát điện phát vào lưới .Công suất điện từ của máy phát cực lồi được biểu thị bằng công thức sau: P mUE =dt x d 0 2 sinθ + mU (x d − x... máy 1.2.4.4.Thiết điện bị Thiết bị điện của trạm thuỷ điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến áp chính, trạm phân phối điện, hệ thống điện tự dùng, hệ thống đo lường và kiểm tra và điều khiển, thiết bị điều trung tâm a Máy biến áp chính Nhằm nâng cao điện áp tải điện đi xa Phụ thuộc vào trạm thuỷ điện cung cấp mà điện áp cao thế máy biến áp có thể là 35, 110, 220, 500kV hoặc cao hơn Máy biến... 5090 + Nhà máy thuỷ điện lớn: N ≥ 1000MW + Nhà máy thuỷ điện vừa: 15MW < N < 1000MW + Nhà máy thuỷ điện nhỏ: N ≤ 15MW Theo cột nước phân theo ba loại tuỳ theo cột nước công tác lớn nhất: + Nhà máy thuỷ điện có cột nước cao: + Nhà máy thuỷ điện có cột nước trung bình: + Nhà máy thuỷ điện có cột nước thấp: Hmax > 400m 50m < Hmax < 400m Hmax < 50m 1.2.4 Cấu tạo nhà máy thuỷ điện Nhà máy thuỷ điện các thiết... Hệ điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện Điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện chính là điều chỉnh giá trị điện áp ra máy phát Công suất biểu diễn của máy phát biểu diễn bởi công thức: 0 Q= xd xq mUE mU 2 mUE cosθ − (xd + xq ) = 2x d mU 0 xd cosθ − 2 (1-4) xd Coi tốc độ quay của Turbine là không đổi, lưu lượng chảy vào của Turbine là không đổi vì vậy công suất cơ phát ra của Turbine. .. thiết bị điện 1.2.4.1 Turbine thuỷ lực Thiết bị động lực bao gồm Turbine và máy phát Các bộ phận cơ bản của Turbine là buồng dẫn nước vào, phần cơ khí thuỷ lực, bộ phận tháo nước, hệ thống điều khiển Phụ thuộc vào cột nước mà nhà máy sử dụng mà Turbine có thể là: cánh quay, cánh quạt, tâm trục hay Turbine gáo 1.2.4.2 Máy phát thuỷ điện Máy phát điện là động cơ biến cơ năng của Turbine thành điện năng... cơ cấu điều chỉnh như Turbine hướng trục có cánh điều chỉnh Loại Turbine này làm việc với cột nước H = 30 – 150m Nó có thể là Turbine điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất hiệu suất cao tương đối rộng so với Turbine tâm trục 2.2.5 Turbine xung lực Turbine xung lực có các bộ phận chính vòi phun điều chỉnh lưu lượng, bánh xe công tác, vỏ, trục, bộ phận cắt dòng Đặc điểm chung của Turbine. .. 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... trục cánh điều chỉnh có hiệu suất cao hơn trong phạm vi điều chỉnh rộng Tuy nhiên các loại cánh điều chỉnh phức tạp và cơ chế điều chỉnh nằm trong bầu bánh công tác Nhà máy thuỷ điện Thác Bà sử dụng loại Turbine này với cánh có điều chỉnh công suất 40KW 2.2.3 Turbine tâm trục Hình 2-3 Cấu trúc turbine tâm trục Trong Turbine tâm trục hướng dòng chảy của vùng bánh xe công tác ban đầu theo hướng tâm, sau... đất + Nhà máy thuỷ điện ngầm được bố trí hoàn toàn trong lòng đất + Nhà máy thuỷ điện trong thân đập Ngoài ra nhà máy thuỷ điện còn nhiều kết cấu đặc biệt khác như kết hợp xả lũ dưới đáy hoặc trong thân đập tràn, trong trụ pin, nhà máy thuỷ điện ngang đập với Turbine capxul, nhà máy điện thủy triều Các loại nhà máy này là các nhà máy thuỷ điện đặc biệt Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp... vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh xe công tác Turbine gáo làm việc với cột nước H =40 – 3000m và lớn hơn Trạm thuỷ điện Đa nhim dùng Turbine gáo có công suất tổ máy là N = 40MW 2.2.7 Turbine tia nghiêng Turbine này khác Turbine gáo là dòng chảy từ vòi phun vào bánh xe công tác dưới một góc nghiêng Bánh xe công tác có hình cong gắn chặt lên hai đĩa bên trái bánh xe công tác có hình dạng đơn giản hơn Turbine . máy thuỷ điện 14 1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện 19 CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CỦA TURBINE 25 2.1. Khái niệm cơ bản 25 2.2. Phân loại các loại Turbine 26 2.2.1 Turbine. Chương II: Cấu trúc và hệ điều chỉnh Turbine - Chương III: Tổng hợp hệ thống điều tốc Turbine - Chương IV: Nâng cao chất lượng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện Đƣợc sự hƣớng dẫn. phần 1 nghiên cứu Xây dựng hệ thống điều chỉnh Turbine thuỷ lực và phần 2 nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện. Toàn bộ luận văn đƣợc chia thành