Nâng cao chất lượng điều tốc turbine thủy điện nhỏ

-1- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH TỰ ĐỘNG HOÁ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ LƯU TÙNG GIANG THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Học viên : LƯU TÙNG GIANG Hướng dẫn khoa học : PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Lưu Tùng Giang, sinh ngày 25 tháng 10 năm 1969, học viên lớp cao học khoá 11 - Ngành Tự động hố - Trường đại học kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên, công tác Sở Công Thương tỉnh Hà Giang Xin cam đoan: Đề tài luận văn Nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ, Thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh hướng dẫn cơng trình nghiên cứu thân tơi thực dựa hướng dẫn Thầy, để thực hồn thành luận văn tơi sử dụng tài liệu tham khảo trích dẫn Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, tháng năm 2010 Học viên Lưu Tùng Giang Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- MỤC LỤC Chương - 12 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ - 12 VAI TRÕ CỦA THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG - 12 1.1 Nguồn lượng tái tạo - 12 1.2 Sơ đồ khai thác thuỷ nhà máy thuỷ điện - 13 1.2.1 Sơ đồ khai thác thuỷ - 13 1.2.2 Sơ đồ nhà máy thủy điện - 16 - 1.2.2.1 Nhà máy thuỷ điện kiểu lịng sơng (hay sau đập) - 16 1.2.2.2 Nhà máy thủy điện đường dẫn .- 17 1.2.2.3 Nhà máy thủy điện tổng hợp - 17 1.2.2 Nguyên lý phát điện nhà máy thủy điện - 18 1.3 Turbine thuỷ điện - Thiết bị biến đổi nguồn sơ cấp - 21 1.3.1 Khái niệm - 21 1.3.2 Nguyên lý làm việc - 21 1.3.3 Các thơng số turbine nước - 22 - 1.3.3.1 Cột nước làm việc turbine - 22 1.3.3.2 Lưu lượng turbine - 24 1.3.3.3 Hiệu suất turbine - 24 1.3.3.4 Công suất turbine - 24 1.3.3.5 Đại lượng qui dẫn - 24 1.3.3.6 Hệ số tỷ tốc - 25 1.3.4 Phân loại turbine - 25 1.4 Thông số turbine - 26 1.4.1 Cột áp turbine - 26 1.4.2 Lưu lượng qua Turbine - 26 1.4.3 Công suất - 27 1.4.4 Hiệu suất - 27 1.4.5 Số vòng quay turbine - 28 1.5 Đường đặc tính turbine - 28 1.5.1 Đường đặc tính công tác - 29 1.5.2 Đường đặc tính vịng quay - 30 1.5.3 Đường đặc tính cột nước - 31 1.5.4 Đường đặc tính tổng hợp - 31 1.5.5 Đường đặc tính nhóm tổ máy - 32 1.6 Tự động hóa nhà máy thủy điện - 33 1.7 Kết luận chương - 33 Chương - 34 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ - 34 2.1 Điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ - vấn đề cần nghiên cứu - 34 2.1.1 Sơ đồ nghiên cứu - 34 2.1.2 Chức thiết bị điều tốc - 35 2.2 Mô hình tốn động học nhà máy thuỷ điện - 36 2.2.1 Mô hình động học đường ống dẫn nước - 38 2.2.2 Mơ hình động học turbine - 38 2.2.3 Mơ hình động học rotor - 42 2.2.4 Mơ hình hệ thống dẫn động - 42 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn -52.2.5 Mơ hình điều tốc turbine - 43 2.2.6 Mơ hình hệ thống điều khiển nhà máy - 44 - 2.2.6.1 Điều khiển tốc độ - 44 2.2.6.2 Điều khiển công suất - 47 2.3 Nguyên lý điều tốc - 50 2.3.1 Điều tốc thủy lực - 50 2.3.2 Điều tốc điện - thủy lực - 52 2.4 Kết cấu khí hệ thống điều chỉnh tốc độ Turbine - 53 2.5 Các cấu điều khiển máy điều tốc - 54 2.5.1 Cơ cấu khơng cân cịn dư - 55 2.5.2 Cơ cấu biến đổi số vòng quay - 55 2.5.3 Cơ cấu hướng dòng - 56 2.5.4 Các cấu khác - 56 2.6 Đặc điểm hệ thống điều chỉnh tốc độ - 56 2.7 Ảnh hưởng tín hiệu điều tốc hệ thống điện - 58 2.7.1 Đặc tính tĩnh - 58 2.7.2 Đặc tính điều chỉnh mở van Turbine - 59 2.7.3 Ảnh hưởng ngưỡng không nhậy - 61 2.8 Thiết lập mơ hình nâng cao chất lượng điều tốc turbine - 63 2.8.1 Mơ hình hệ thống - 63 2.8.1 Thời gian đặc trưng điều chỉnh tốc độ - 65 2.8.2 Thiết lập sơ đồ khối điều khiển - 66 2.8.3 Bộ điều khiển mờ theo luật PID - 67 2.8.4 Tham số PID - 68 2.8.5 Khảo sát ổn định hệ thống - 70 2.9 Kết luận chương - 71 Chương - 73 ĐIỀU TỐC TRONG HỆ THỐNG TURBINE – MÁY PHÁT - 73 3.1 Cấu trúc turbine – máy phát nhà máy thuỷ điện - 73 3.2 Kết cấu máy phát điện đồng pha - 74 3.2.1 Máy phát điện đồng cực lồi - 74 - 3.2.1.1 Stator - 74 3.2.1.2 Rotor .- 74 3.2.2 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng - 74 3.3 Mơ hình tốn máy phát điện đồng - 75 3.3.1 Mơ hình mạch máy phát điện đồng - 75 3.3.2 Biến đổi hệ tọa độ qd0 roto - 79 3.3.3 Từ thơng móc vịng tính theo dịng điện - 81 3.3.4 Quy đổi đại lượng roto stato - 82 3.3.5 Các phương trình điện áp hệ toạ độ qd0 roto - 84 3.3.6 Mô men điện từ - 84 3.4 Mô máy phát điện đồng - 85 3.4.1 Các biểu thức dòng điện - 85 3.4.2 Phương trình chuyển động - 88 3.4.3 Các biểu thức hệ đơn vị tương đối - 88 3.5 Các đặc tính điều chỉnh máy điện đồng - 89 3.5.1 Phương trình điện áp máy phát điện đồng - 90 3.5.2 Đặc tính khơng tải máy phát điện đồng - 91 3.5.3 Đặc tính ngồi - 92 3.5.4 Đặc tính điều chỉnh - 92 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -63.5.5 Đặc tính tải - 93 3.5.6 Đặc tính ngắn mạch tỷ số ngắn mạch K - 95 3.6 Phân tích hệ thống điều chỉnh cơng suất điện áp máy phát - 96 3.6.1 Điều chỉnh công suất tác dụng P - 96 3.6.2 Điều chỉnh công suất phản kháng Q - 99 3.7 Máy điện đồng hệ thống điện - 101 3.8 Mơ hình tải đối xứng ba pha máy phát đồng - 103 3.9 Xây dựng mơ hình turbine – máy phát hệ thống điện - 104 3.9.1 Một số vấn đề máy phát hệ thống điện - 104 3.9.2 Mơ hình điều khiển phát điện tự động (AGC) - 104 3.10 Kết luận chương - 107 Chương - 108 ÖNG DỤNG MALAB SUMLINH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE – MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN - 108 4.1 Chương trình mô matlab simulik - 108 4.2 Ứng dụng chương trình mơ malab simulik - 109 4.2.1 Mơ hình máy phát - 109 4.2.2 Mô hình điều tốc Turbine - 111 - 4.2.2.1 Mô điều chỉnh tốc độ - 112 4.2.2.2 Khối thuật toán PID - 113 4.2.2.3 Khối động thừa hành Servomotor - 113 4.2.2.4 Khối turbine thuỷ lực - 113 4.2.3 Mơ hình điều chỉnh kích từ với kích từ - 113 4.2.4 Mơ hình đo lường tham số (Measure) - 114 4.2.5 Bộ hoà đồng - 114 4.2.7 Khối hiển thị tham số - 114 4.3 Kết mô vận hành nhà máy khởi động không tải - 115 4.3.1 Mô hệ thống khởi động - 115 4.3.2 Thí nghiệm kiểm tra q trình khởi động - 116 4.3.3 Đáp ứng nhà máy trình khởi động - 116 4.4 Kết mô vận hành nhà máy với tải độc lập - 118 4.4.1 Sở đồ mô - 118 4.4.2 Đáp ứng hệ thống - 119 4.5 Kết mô vận hành nhà máy hệ thống điện có tải vơ lớn - 121 4.5.1 Sơ đồ mô - 121 4.5.2 Thông số mô phần máy biến áp tăng áp, lưới hệ thống điện tải - 122 4.5.3 Đáp ứng hệ thống - 123 4.5 Kết luận chương - 125 - Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Chương - 12 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ - 12 VAI TRÕ CỦA THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG - 12 Hình 1-1 Sơ đồ khai thác dịng chảy - 13 Hình 1-2 Dịng chảy sở - 13 Hình 1-3 Sơ đồ tuyến nhà máy thủy điện - 16 Hình 1-4 Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu lịng sơng - 17 Hình 1-5 Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn - 17 Hình 1-6 Sơ đồ nhà máy thuỷ điện kiểu tổng hợp - 18 Hình 1-7 Sơ đồ nhà máy thủy điện - 19 Hình 1-8 Sơ đồ mặt cắt ngang nhà máy thủy điện - 19 Hình 1-9 Turbine thủy lực - 21 Hình 1-10 Đường tích luỹ dịng chảy - 22 Hình 1-11 Sơ đồ lắp đặt Turbine Nhà máy thuỷ điện - 23 Hình 1-12 Phạm vi lựa chọn turbine thuỷ điện nhỏ - 26 Hình 1-13 Đặc tính hiệu suất turbine - 28 Hình 1-14 Các đường đặc tính cơng tác Turbine - 29 Hình 1-15 Đường đặc tính loại turbine - 30 Hình 1-16 Đặc tính vịng quay - 31 Hình 1-17 Đặc tính cột nước - 31 Hình 1-18 Đặc tính tổng hợp vận hành - 32 Hình 1-19 Đặc tính nhóm tổ máy - 32 Hình 1-20 Sơ đồ điều khiển nhà máy thuỷ điện - 33 Chương - 34 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE THUỶ ĐIỆN NHỎ - 34 Hình 2-1 Sơ đồ nghiên cứu nhà máy thuỷ điện - 34 Hình 2-2 Sơ đồ chức máy điều tốc Turbine - 35 Hình 2-3 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tua bin hệ thống điện - 37 Hình 2-4 Sơ đồ khối động học hệ thống nhà máy thuỷ điện - 37 Hình 2-5 Sơ đồ mơ hình phi tuyến Turbine - 39 Hình 2-6 Sở đồ mơ hình tuyến tính điều tốc turbine - 40 Hình 2-7 Sơ đồ dẫn động cấu trợ động - 43 Hình 2-8 Sơ đồ mơ hố hệ thống thiết bị truyền động điện - thuỷ lực - 43 Hình 2-8 Piston thủy lực kiểm sốt định vị vị trí - 43 Hình 2-9 Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tốc độ - 44 Hình 2-10 Khối sơ đồ hệ thống điều khiển hoạt động điện - 47 Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc thuỷ lực - 50 Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lý máy điều tốc điện - thuỷ lực - 52 Hình 2-13 Các phần tử điều tốc turbine - 54 Hình 2-14 Đặc tính khơng cân dư - 55 Hình 2-15 Đặc tính biến đổi số vịng quay - 56 Hình 2-16 Đường đặc tính tĩnh turbine (T1,T2,T3) phụ tải (P1, P2, P3) - 58 Hình 2- 17 Đường đặc tính Turbine - 59 Hình 2-18 Họ đặc tính ∝ thay đổi - 60 Hình 2-19 Đặc tính điều chỉnh turbine máy phát - 61 Hình 2-20 Ngưỡng không nhậy máy điều tốc - 62 Hình 2-21 Máy phát cấp cho phụ tải - 63 Hình 2-21 Hàm truyền cơng suất (tốc độ) - 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8Hình 2-22 Hàm truyền công suất (tốc độ ) tải phụ thuộc tần số - 64 Hình 2-23 Mơ hình điều tốc - 65 (a) Sơ đồ mạch (b) Đáp ứng tăng tải - 65 Hình 2-24 Thời gian đặc trưng hệ thống - 65 Hình 2-25 Sơ đồ khối Bộ điều tốc turbine thuỷ lực - 66 Hình 2-26 Hệ điều khiển mờ theo luật PID - 67 Hình 2-27 Minh hoạ dao động trì - 68 Hình 2-28 Sơ đồ hàm truyền điều khiển khép kín - 69 Hình 2-29 Sở đồ hệ thống giản thể - 69 Hình 2-30 Đáp ứng Thiết kế hệ thống - 70 Hình 2-31 Tối ưu hố đáp ứng hệ thống - 70 Hình 2-32 Biểu đồ Nyquist - 71 Hình 2-33 Biên dự trữ pha dự trữ - 71 Chương - 73 ĐIỀU TỐC TRONG HỆ THỐNG TURBINE – MÁY PHÁT - 73 Hình 3-1 Mơ hình hệ thống tua bin nhà máy thuỷ điện - 73 Hình 3-2 Nguyên lý trình sản xuất điện - 75 Hình 3-3 Mơ hình mạch máy điện đồng - 76 Hình 3-4 Véc tơ thành phần sức từ động - 76 Hình 3-5 Đồ thị vector điện áp máy phát điện ; a Cực lồi b Cực ẩn - 91 Hình 3-6 Đặc tính khơng tải máy phát - 91 Turbine nước (1), máy phát Turbine nước (2) - 91 Hình 3-7 Đặc tính ngồi máy phát điện đồng - 92 Hình 3-8 Đặc tính điều chỉnh máy phát điện đồng - 93 Hình 3-9 Xác định đặc tính tải cảm từ đặc tính khơng tải - 94 tam giác điện kháng - 94 Hình 3-10 Đặc tính ngắn mạch máy phát đồng - 95 Hình 3-11 Cơng suất tác dụng công suất chỉnh máy phát điện - 97 Hình 3-12 Đồ thị vectơ suất điện động - 99 Hình 3-13 Họ đặc tính hình V máy phát đồng - 100 Hình 3-14 sơ đồ đơn giản máy phát điện đồng - 101 Hình 3-15 Cơng suất tác dụng máy phát điện đồng cực lồi - 102 Hình 3-16 Mơ hình tải pha đối xứng - 103 Hình 3-17 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát đồng - 105 Chương - 108 ÖNG DỤNG MALAB SUMLINH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU TỐC TURBINE – MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN - 108 Hình 4-1 Mơ hình máy phát mơ - 110 Hình 4-2 Mơ hình hệ thống lưới điện - 110 Hình 4-3 Mơ hình mơ phần điện máy phát - 111 Hình 4-4 Mơ hình mơ phần máy phát - 111 Hình 4-5 Sơ đồ cấu trúc điều tốc - 113 Hình 4-6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID - 113 Hình 4-7 Động sevomotor điều chỉnh van - 113 Hình 4-8 Sơ đồ cấu trúc tua bin thuỷ lực - 113 Hình 4-9 Sơ đồ cấu trúc kích từ AVR - 114 Hình 4-10 Sơ đồ cấu trúc đo lường - 114 Hình 4-11 Sơ đồ cấu trúc hoà đồng - 114 Hình 4-12 Sơ đồ cấu trúc khối hiển thị - 115 Hình 4-13 Sơ đồ mơ chạy không tải - 116 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9Hình 4-14 Đặc tính tần số khởi động(pu) - 116 Hình 4-15 Đặc tính mô men điện từ khởi động(pu) - 117 Hình 4-16 Đặc tính góc tải máy phát khởi động(pu) - 117 Hình 4-17 Đặc tính điện áp pha a từ khởi động(pu) - 117 Hình 4-18 Đặc tính dịng iabc máy phát khởi động(pu) - 117 Hình 4-19 Mơ hình máy phát hoạt động trình vận hành tải độc lập - 118 Hình 4-20 Đáp ứng cơng suất phản kháng cơng suất tác dụng (pu) - 119 Hình 4-21 Đáp ứng điều tốc hệ turbine - máy phát (pu) - 119 Hình 4-22 Đáp ứng góc tải mơ men điện từ (pu) - 120 Hình 4-23 Đáp ứng dòng điện starto máy phát (pu) - 121 Hình 4-24 Đáp ứng điện áp kích từ (pu) - 121 Hình 4-25 Đáp ứng dịng kích từ (pu) - 121 Hình 4-26 Mơ hình máy phát hoạt động q trình hồ vào lưới hệ thống - 122 Hình 4-27 Đáp ứng điều tốc hệ turbine - máy phát (pu) - 123 Hình 4-28 Đáp ứng góc tải mô men điện từ (pu) - 124 Hình 4-29 Đáp ứng dịng điện Stato máy phát (pu) - 124 Hình 4-30 Đáp ứng điện áp kích từ (pu) - 124 Hình 4-31 Đáp ứng cơng suất phản kháng công suất tác dụng (pu) - 125 - BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Thiết lập giá trị PID - 68 Bảng 2-2 Giá trị Kp hệ thống ổn định - 69 Bảng 4-1 Tham số đầu vào - 109 Bảng 4-2 Thông số máy phát đồng - 110 Bảng 4-3 Tham số điều tốc - 112 Biểu 4-4 Thời gian vận hành với loại phụ tải - 118 Bảng 4-5 Tham số máy biến áp, tải lưới điện - 123 - Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 10 - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu STT Giải thích BXCT Bánh xe cơng tác CCĐ Cơ cấu đặt SG Máy phát đồng AGC Tự động điều chỉnh máy phát PSSs Hệ thống máy phát OEL Kích thích mức UEL Kích thích mức AVR Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp XT Lưới điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 114 - Hình 4-9 Sơ đồ cấu trúc kích từ AVR 4.2.4 Mơ hình đo lường tham số (Measure) Đây mô hình dùng để đo lường giá trị dịng điện điện áp mạch Stator, Dịng điện kích từ tốc độ quay Rotor (tương ứng với tần số) Các tham số đo chuyển từ hệ SI sang hệ đơn vị tương đối cung cấp cho điều tốc, kích từ để xử lý tính tốn phục vụ cho q trình điều khiển Volt -> Pu2 -K- f(u) Vab u(1) Volt -> Pu1 5 uT u_anpa1 u_anpa -K- f(u) Vbc u_beta vong/phut -> Pu2 1 wr f(u) w Ampe-> Pu2 -Ku(1) Ampe -> Pu1 Q Q1 i_anpha -K- f(u) f(u) ib i_beta Ampe-> Pu4 iT u_anpa2 butter P f(u) ia 3 P3 Ifd If Analog Filter4 Hình 4-10 Sơ đồ cấu trúc đo lường 4.2.5 Bộ hoà đồng Thực hoà vào lưới điện với loại phụ tải độc lập, lưới điện hệ thống -C- c A 1 a Breaker A com External -C- c 2 B b Breaker B Timer -C- c C c Breaker C -CThreePhaseBreaker powersysdomain Hình 4-11 Sơ đồ cấu trúc hồ đồng 4.2.7 Khối hiển thị tham số Khối hiển thị tham số khối tổng hợp tín hiệu đo, sau dùng Scope để hiển thị xuất liệu dạng ma trận để phục vụ cho q trình Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 115 - xử lý số liệu in kết mô phỏng.Trong q trình mơ ta xem xét đặc tính trực tiếp thơng qua Scope khối hiển thị Volt -> Pu2 -K- f(u) Vab u(1) Volt -> Pu1 u_anpa1 uT u_anpa -K- f(u) Vbc u_beta vong/phut -> Pu2 1 wr f(u) w P3 Ampe-> Pu2 -K- f(u) ia u(1) Ampe -> Pu1 -K- Q f(u) f(u) i_beta Ampe-> Pu4 butter Ifd P i_anpha ib Q1 u_anpa2 iT If Analog Filter4 Hình 4-12 Sơ đồ cấu trúc khối hiển thị 4.3 Kết mô vận hành nhà máy khởi động không tải 4.3.1 Mô hệ thống khởi động Mục đích thí nghiệm kiểm tra khả đáp ứng điều tốc, kiểm tra hoạt động khối bảo vệ có cố xảy Các thí nghiệm có chung mơ hình mơ bao gồm khối : Khối điều khiển máy phát, khối phụ tải khối hiển thị tham số cần quan sát Các thí nghiệm với mơ hình độc lập khác phụ tải lượng đặt cơng suất Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 116 - Hình 4-13 Sơ đồ mơ chạy khơng tải 4.3.2 Thí nghiệm kiểm tra q trình khởi động Trong thí nghiệm, hệ thống khởi động không tải 0,02MW tương dương 0,001pu 4.3.3 Đáp ứng nhà máy trình khởi động 50.2 50.1 50 49.9 49.8 49.7 49.6 0.5 1.5 2.5 Hình 4-14 Đặc tính tần số khởi động(pu) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên x 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn - 117 12 10 < Momen dien tu (pu)> -2 -4 -6 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình 4-15 Đặc tính mơ men điện từ khởi động(pu) 140 120 < Goc tai (deg)> 100 < Delta (deg)> 80 60 40 20 -20 -40 -60 0.5 1.5 2.5 3.5 Hình 4-16 Đặc tính góc tải máy phát khởi động(pu) 1.5 1.5 ia < Dong dien iabc (pu)> ib 0.5 0.5 < Iabc (pu)> ic 0 -0.5 -0.5 -1 -1 -1.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -1.5 2.5 Hình 4-17 Đặc tính điện áp pha a từ khởi động(pu) 2.505 2.51 2.515 2.52 2.525 2.53 2.535 2.54 2.545 2.55 Hình 4-18 Đặc tính dịng iabc máy phát khởi động(pu) Qua kết mô ta nhận thấy khởi động để chuẩn bị phát điện vào hệ thống, ta phải điều chỉnh mở van từ độ mở từ đến 1,18pu nhằm tăng nhanh thời gian trình vận hành nhà máy Quá trình tăng điện áp kéo dài vào dao động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 118 - khoảng thời gian 5,5s Sau khoảng thời gian mô men điện từ mức không chuẩn bị cho hoà vào lưới, hệ thống điều tốc trì tốc độ định mức đặt 1(pu) Tần số dao động ổn định sau thời gian 1,2s 4.4 Kết mô vận hành nhà máy với tải độc lập 4.4.1 Sở đồ mơ Mơ hình tải độc lập với hệ thống điện sử dụng thí nghiệm mơ lấy thư viện SimPower Matlab Simulink theo hình 4-19 sau: Hình 4-19 Mơ hình máy phát hoạt động q trình vận hành tải độc lập Quá trình thử tải theo cấp khác từ thay đổi phủ tải vận hành mức 0,71MVA đến 7,57 MVA có tổng thời gian chạy 60s, công suất tham chiếu 0,305pu tương đương 1,73MVA Các trường hợp phụ tải bảng 4-4 sau: STT Thời gian vận hành Công suất vận hành Tỷ lệ % phụ tải (s) (MVA) % 0,71 8,84 20 7,57 94,58 40 0,71 8,84 50 1,73 21,69 Biểu 4-4 Thời gian vận hành với loại phụ tải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 119 - Các đặc tính quan sát bao gồm: Cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng, Điện áp, góc tải, mơ men điện từ, dịng điện mạch kích từ, điện áp dòng điện đầu cực máy phát 4.4.2 Đáp ứng hệ thống < Cong suat phan khang Qeo (pu)> 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 10 20 30 40 50 60 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 Hình 4-20 Đáp ứng công suất phản kháng công suất tác dụng (pu) 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 10 20 30 40 50 60 Hình 4-21 Đáp ứng điều tốc hệ turbine - máy phát (pu) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 120 - 40 30 20 10 -10 -20 10 20 30 40 50 60 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 Hình 4-22 Đáp ứng góc tải mơ men điện từ (pu) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 121 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 49.9 49.95 50 50.05 50.1 50.15 Hình 4-23 Đáp ứng dòng điện starto máy phát (pu) 1.8 1.6 3.5 1.4 1.2 2.5 0.8 1.5 0.6 0.4 0.5 0.2 0 -0.5 -0.2 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 Hình 4-24 Đáp ứng điện áp kích từ Hình 4-25 Đáp ứng dịng kích từ (pu) (pu) Kết tăng phụ tải 0,71MVA thời điểm 5s, hệ thống điều tốc điều chỉnh tần số tăng đến 60Hz Nếu tiếp tục tăng đến 7,57MVA thời điểm 20s, tần giảm xuống 25Hz; Khi trì tải tải mức 1,73 MVA tương ứng cơng suất tham chiếu đầu vào đặt 0,305pu hệ thống điều tốc chỉnh trang thái trì ổn định tần số 49,99 Hz 4.5 Kết mô vận hành nhà máy hệ thống điện có tải vơ lớn 4.5.1 Sơ đồ mơ Sơ đồ mơ theo hình 4-26 Khi vận hành hồ lưới với tải vơ lớn 10.000 MVA Trong trình vận hành kiểm tra khả điều chỉnh tốc độ từ khởi động hoà lưới, đến thời gian 7(s) có cố thoảng qua với thời gian 0,2(s) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn - 122 - Hình 4-26 Mơ hình máy phát hoạt động q trình hồ vào lưới hệ thống 4.5.2 Thông số mô phần máy biến áp tăng áp, lưới hệ thống điện tải TT Tên thông số Tham số máy biến áp tăng áp Công suất Điện áp sơ cấp Điện áp thứ cấp Điện trở sơ cấp Điện cảm sơ cấp Điện trở thứ cấp Điện cảm thứ cấp Từ hoá điện trở Từ hoá điện cảm Tham số lưới truyền tải Chiều dài Số pha Điển trở suất Điện cảm Điện dung Tham số tải hệ thống Phụ tải Điện áp Tần số Tham số khối cố Số pha cố Thời gian cố t Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đơn vị Trị số MVA KV KV R1 (pu) L1 (pu) R1 (pu) L1 (pu) Rm (pu) Lm (pu) 90,0 13,8 110 0,00270 0,08 0,0027 0,08 500 500 km pha Ohms/km H/km H/km (e^-9) 50 0,01 0,00 12,74 MVA KV Hz 10.000 110,00 50,00 Pha s 0,2 http://www.lrc-tnu.edu.vn - 123 - Bảng 4-5 Tham số máy biến áp, tải lưới điện 4.5.3 Đáp ứng hệ thống 1.1 < Toc may phat (pu)> 1.08 1.06 1.04 1.02 0.98 0.96 0.94 0.92 0.9 10 12 Hình 4-27 Đáp ứng điều tốc hệ turbine - máy phát (pu) 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 10 12 12 10 -2 -4 -6 -8 -10 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 12 http://www.lrc-tnu.edu.vn - 124 - Hình 4-28 Đáp ứng góc tải mô men điện từ (pu) 1.5 12 ia < Dong Stato may phat iabc (pu)> < Dien ap kich tu may phat (pu)> ib ic 10 0.5 -0.5 -1 -2 -4 -1.5 10 10.05 10.1 10.15 10.2 10.25 10 12 Hình 4-29 Đáp ứng dịng điện Stato máy Hình 4-30 Đáp ứng điện áp kích từ phát (pu) (pu) 10 -5 -10 -15 10 12 10

-2 -4 -6 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 - 125 - Hình 4-31 Đáp ứng công suất phản kháng công suất tác dụng (pu) 4.5 Kết luận chương Chương xây dựng điều khiển theo kết nghiên cứu lý thuyết Bộ điều khiển xây dựng sở mạch điều tốc Bộ điều khiển cho hệ thống điều tốc máy phát đạt kết tốt với việc thử nghiệm mơ hình Kết nhận thấy đặc tính hồn tồn thoả mãn so với tiêu chất lượng Hệ thống làm việc với trình khởi động, tải động ổn định, đáp ứng tần số trì ổn định tần số f= 50Hz (1pu) xác lập thời gian 2,8s Khi hệ thống tải phần lưới điện thay đổi với mức phụ tải khác góc tải mơ men điện từ thay đổi nhằm trì cung cấp nguồn lượng cho tải theo công suất đặt tham chiếu, đáp ứng tần số f đạt 49,99Hz đảm bảo sai lệch nhỏ với sai lệch tần số yêu cầu 0,01Hz, nằm phạm vi cho phép nhỏ 0,2Hz Khi hệ thống hồ vào lưới điện có cơng suất tải vơ lớn, góc tải mơ men điện từ điều chỉnh theo công suất đặt tham chiếu Khi trì hệ thống điều tốc trì điều chỉnh cơng suất trục turbine Tần số ln trì ổn định mức f=50Hz xác lập thời gian 2,5s Góc tải cơng suất trì 22,1 deg mơ men điện từ mức 0,9pu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 126 - KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ Trong thời gian thực luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu Nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ” Em làm việc sau đây: Nghiên cứu nhà máy thuỷ điện nhỏ, thiết bị chuyển đổi nguồn thuỷ chuyển đổi thành tác động lên trục rotor máy phát điện hệ thống turbine thuỷ điện, kết cấu đồng với máy phát đồng hệ thống điện để chọn phương án Nâng cao chất lượng điều tốc turbine thuỷ điện nhỏ hệ thống điện, việc thiết lập hệ thống điều chỉnh cấu cấp nguồn lượng cho turbine thuỷ điện phù hợp công suất nguồn sơ cấp tải lưới điện Xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ turbine điều tốc với hệ điều khiển mờ theo luật PID Tiến hành xây dựng mơ hình mơ để kiểm tra tính mơ hình thiết kế thử nghiệm trường hợp hoạt động hệ thống điều kiện làm việc tiêu biểu Tuy nhiên việc tiến hành thí nghiệm đối tượng máy phát khơng mơ hình thực tế, nên việc nghiên cứu dừng việc khảo sát dựa mơ hình xây dựng từ thư viện chuẩn hóa Matlab Simulink Kết mơ ổn định tần số tốt 02 chế độ chế độ khơng tải hồ lưới, cịn chế độ vận hành với loại phụ tải độc lập khác có sai số 0,01Hz nằm phạm vi cho phép Như với việc xây dựng mô hình nâng cao chất lượng điều tốc giải yêu cầu nêu phần đặt vấn đề Việc xây dựng mơ hình hệ thống hệ thống turbine - máy phát điện đồng bước tiến trình thiết kế chế tạo Em hy vọng thời gian tới kỹ sư thiết kế bổ sung thêm phương pháp điều khiển khác hệ thống điều khiển tối ưu; Hệ thống điều khiển thích nghi, Hệ thống điều khiển thơng minh cho nhà máy thuỷ điện thích ứng với thay đổi cột áp, kết cấu phức tạp nhiều tổ máy nhà máy để mơ hình hồn thiện hơn, triển khai hiệu hơn, thay hệ thống điều tốc tương tự cịn chưa đáp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 127 - ứng yêu cầu vận hành hệ thống điện với nhiều dạng nguồn hoà vào lưới hệ thống Kết khẳng định thành công hướng nghiên cứu mặt khoa học với thực tế kết góp phần nhỏ bé mang lại hướng áp dụng kỹ thuật đại cho phát triển nguồn điện hướng tới phát triển mạnh mẽ tương lai Do thời gian làm luận văn có hạn kiến thức thân hạn chế, nên luận văn Em khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong góp ý thầy cô bạn Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Bùi Quốc Khánh, đồng nghiệp Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ cao trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên bạn đồng nghiệp giúp đỡ hoàn thiện luận văn này./ Thái Nguyên, tháng năm 2010 Học viên Lưu Tùng Giang Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 128 - Tài liệu tham khảo [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật; [2] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học & kỹ thuật; [3] Phạm Thương Ngô (2009), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật; [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật; [5] Vũ Gia Hanh (1971), Máy điện đồng bộ, Trường Đại học Bách khoa; [6] Nghị định số 105/2005/NĐ-CP, ngày 17 tháng năm 2005 Quy định chi tiết hướng dẫn thi hành số điều Luật Điện lực; [7] Electric Energy and Electric Generators Published in 2006 by CRC Press Taylor & Francis Group; [8] IEEE Working Group on Prime Mover and Energy Supply Models for System Dynamic Performance Studies, "Hydraulic Turbine and Turbine Control Models for Dynamic Studies," IEEE Transactions on Power Systems, Vol.7, No.1, February, 92, pp 167-179; [9] J P Ngoma Cand Sc.(Eng); P D Lezhniuk, Dr Sc (Eng.), Prof.; A V "Nikitorovych, compensation of reactive power of asynchronous generators at small hydro power stations" 2008, № Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn