nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện bình điền

1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn    NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN Chuyên ngành :   : 605260  :   : PGS.TS.  THÁI NGUYÊN-NĂM 2010 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn   *****        NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN    -   PGS.TS.   Ngu   3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi là , Nguyễn Tâm Phƣơng học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá 2008-2010 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy , thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ. Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền". Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của  và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Ngƣời cam đoan Nguyễn Tâm Phƣơng 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn       -  -  1 I.1 Tổng quan về điều tốc 1 I.1.1 Tần số trong chất lƣợng điện 2 I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số 7 I.1.3 Phân loại các loại điều tốc 8 I.1.3.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu điều chỉnh có thể phân loại 8 I.1.3.2 Trên cơ sở hoạt động của bộ điều chỉnh có thể phân loại 9 I.1.3.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh 9 I.1.3.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay có thể phân loại 9 I.1.3.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau có thể phân loại 9 I.1.4 Các thông số của bộ điều tốc 10 I.1.5 Giới thiệu một số bộ điều tốc 12 I.1.5.1 Điều tốc cơ khí 12 I.1.5.2 Điều tốc điện 14 I.2 Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền 15 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn I.2.1 Phần điều khiển 15 I.2.2 Phần động lực 22 I.2.2.1 Hệ thống dầu áp lực 22 I.2.2.2 Cấu trúc phần thủy lực 24 I.2.2.3 Cấu tạo của các loại van 25    31 II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện 31 II.2 Hệ điề u khiể n vector biế n tầ n độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha 32 II.2.1 Mô tả độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha dƣớ i dạ ng cá c đạ i lƣợ ng vec tơ không gian 32 II.2.2 Quy đổ i cá c đạ i lƣợ ng điệ n củ a độ ng cơ không đồ ng bộ tƣ̀ hệ vé c tơ (a,b,c) về hệ tọ a độ cố đị nh trên Stato (,) 34 II.2.3 Quy đổ i cá c đạ i lƣợ ng điệ n củ a độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha tƣ̀ hệ tọ a độ cố đị nh trên Rotor (x,y) về hệ tọ a độ cố định trên Stator (,) 37 II.2.4 Quy đổ i cá c đạ i lƣợ ng điệ n củ a độ ng cơ không đồ ng bộ ba pha tƣ̀ hệ tọa độ cố định trên Stator (,) về hệ tọ a độ cố đị nh trên Rotor (d,q). 39 II.2.5 Xây dƣ̣ ng mô hình toá n họ c cho độ ng cơ không đồ ng bộ 43 II.2.6 Cơ sở để đị nh hƣớ ng tƣ̀ thông trong hệ tọ a độ tƣ̣ a theo tƣ̀ thông Rotor (d,q) 45 II.3 Hệ thố ng Thyristor – độ ng cơ 48 II.3.1 Sơ đồ cấ u trú c trạ ng thá i ổ n đị nh và đƣờ ng đặ c tí nh tĩ nh 50 II.3.2 Chấ t lƣợ ng độ ng củ a hệ thố ng điề u chỉ nh tố c độ hai mạ ch vò ng kín 52 II.3.3 Hạn chế quá điề u khiể n tố c độ quay bằ ng 56 II.3.4 Hệ thố ng điề u chỉ nh tố c độ nhiề u mạ ch vò ng kín có mạ ch vò ng trong cà i đặ t suấ t biế n đổ i dò ng điệ n 61  66 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn   III.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 67 III.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 67 III.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn THYRISTOR 72 III.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 74 III.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 74 III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển R I , R  , R  75 III.2 Mô phỏng hệ truyền động bộ điều tốc khi sử dụng bộ điều khiển PID 82 III.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập 82 III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bộ điều tốc sử dụng bộ điều khiển PID 85    90 IV.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 90 IV.2 Các bộ điều khiển mờ 92 IV.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển 92 IV.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 93 IV.2.3 Bộ điều khiển mờ động 93 IV.3 Bộ điều khiển mờ lai PID 97 IV.3.1 Giới thiệu chung 97 IV.3.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. 99 IV.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD 101 IV.3.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ lai song song PD 109  113 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn           Trang Hình I.1 Sơ đồ khối của một máy phát nối lƣới độc lập 2 Hình I.2 Đặc tính tần số của lƣới và máy phát 3 Hình I.3 Sơ đồ khối của bộ điều tốc 3 Hình I.4 Sơ đồ bộ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hƣớng 5 Hình I.5 Đƣờng đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát 6 Hình I.6 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc 13 Hình I.7 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí 14 Hình I.8 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền 16 Hình I.9 Sơ đồ khối trình tự khởi động bộ điều tốc 17 Hình I.10 Sơ đồ trình tự khởi động không tải bộ điều tốc 19 Hình I.11 Sơ đồ thuật toán của bộ điều tốc Bình Điền 20 Hình I.12 Sơ đồ nguyên lý đo lƣờng tần số 22 Hình I.13 Sơ đồ nguyên lý nguồn dầu thủy lực bộ điều tốc 23 Hình I.14 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển thủy lực 24 Hình I.15 Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hƣớng 25 Hình I.16 Sơ đồ cấu tạo của van điện từ khiểu bypass 25 Hình II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thủy điện 31 Hình II.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 32 Hình II.3 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (,) 35 Hình II.4 Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên rotor(x,y) 36 Hình II.5 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 37 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình II.6 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q). 39 Hình II.7 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 44 Hình II.8 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 45 Hình II.9 Định hƣớng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 45 Hình II.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần 48 Hình II.11 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor – động cơ. 49 Hình II.12 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 50 Hình II.13 Đƣờng đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 51 Hình II.14 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ shai mạch vòng kín. 53 Hình II.15 Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tƣởng. b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 53 Hình II.16 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 58 Hình II.17 nh hƣởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá trình khởi động. 1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng 2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân 59 Hình II.18 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay có cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay: a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá 59 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình II.19 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có cài đặt suất biến đổi dòng điện. ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện. CD – khâu vi phân dòng điện 63 Hình II.20 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 63 Hình II.21 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi dòng điện 64 Hình III.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 66 Hình III.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 67 Hình III.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 69 Hình III.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 69 Hình III.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 70 Hình III.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 71 Hình III.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn: a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện 71 Hình III.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lƣu 72 Hình III.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lƣu bán dẫn thyristor a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng. 74 Hình III.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 75 Hình III.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 76 Hình III.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 77 Hình III.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 79 Hình III.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 81 Hình III.15 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 85 Hình III.16 Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 0 A 87 Hình III.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau 89 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 4,3 A Hình IV.1 Quan hệ giƣ̃ a   và  91 Hình IV.2 Hệ điều khiển mờ theo luật I 94 Hình IV.3 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 94 Hình IV.4 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 95 Hình IV.5 Hệ điều khiển mờ PID 96 Hình IV.6 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 98 Hình IV.7 Mô hình bộ điều khiển mờ bù 98 Hình IV.8 Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 100 Hình IV.9 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ 101 Hình IV.10 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD 103 Hình IV.11 Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai PD 104 Hình IV.12 Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ lai PD 104 Hình IV.13 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai PD 105 Hình IV.14 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD 105 Hình IV.15 Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD 106 Hình IV.16 Quan hệ tín hiệu vào ra của bộ mờ lai PD 107 Hình IV.17 Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lƣợng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD 108 Hình IV.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 0 A 110 Hình IV.19 Các tín hịệu vị trí đầu ra tƣơng ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào đặt = 10 V, I = 4.3 A 112 [...]... chƣơng sau: CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN CHƢƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN CHƢƠNG VI: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN Tôi xin bay to... nay, tần số trong hệ thống điện là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lƣợng điện năng Do vậy để giữ tần số ổn định khi phụ tải thay đổi ở các nhà máy thủy điện ngƣời ta phải sử dụng thiết bị để điều chỉnh đó là hệ thống điều tốc Ngày nay khi công nghệ tự động hóa trong việc điều chỉnh tần số hệ thống điện càng phát triển việc nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định tần số là... thành công trong nghiên cứu còn mang tính ứng dụng thực tiễn cho Nhà máy thủy điện Bình Điền, góp phần vào ổn định tần số của hệ thống điện khi phụ tải dao động Viêc Nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng hệ thống điều tốc ổn định tần số ̣ máy phát Thủy điện Bình Điền còn co môt y nghĩ a rât lơn trong nganh tƣ đông ́ ̣ ́ ́ ́ ̀ ̣ ̣ hóa Đo chí nh la nôi dung đê tai luân văn tôt nghiêp cao hoc cua tôi ... Hệ thống điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền Hệ thông điều tốc của nhà máy thủy điện Bình Điền đƣợc chia làm hai phần rõ rệt là phần động lực và phần điều khiển I.2.1 Phần điều khiển Bộ điều tốc Turbine nhà máy thủy điện Bình Điền là loại SAFR-2000H SAFR-2000H là bộ điều tốc kiểu số và đƣợc thực hiện nhờ bộ điều khiển PCC (Programmable control computer) và đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ C# Bộ điều. .. bộ điều chỉnh để điều chỉnh tần số + Nó cung cấp khả năng điều khiển hiệu quả cho dao động thủy lực bởi turbine thủy lực của hệ thống thủy lực và cải tiến đặc tính điều chỉnh + Tăng khả năng khử nhiễu của bộ điều tốc Turbine thủy lực c Nguyên lý đo lƣờng tần số tổ máy Tần số đo lƣờng đƣợc thiết kế cho bộ điều tốc Turbine thủy lực SAFR-2000H là kết hợp giữa đo lƣờng tần số của điện áp dƣ và đo lƣờng tần. .. Tâm Phương Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ I.1 Tổng quan về điều tốc Tấn số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lƣợng điện năng Tốc độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ thuộc và tần số của dòng điện xoay... độc lập Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 I.1.2 Điều tốc trong ổn định tần số Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của Rotor - Máy phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải Từ biểu thức tính tần số của máy phát điện xoay chiều: f  n.p 60 Trong đó: - f: là tần số máy phát xoay chiều (Hz) - n: tốc độ quay của Rotor máy phát (v/ph)... quá trình vận hành ổn định trƣớc khi máy phát chuyển sang chế độ làm việc song song Cơ cấu phản hồi cứng có chức năng điều tốc làm việc lâu dài” khi máy phát vận hành song song trong hệ thống và điều chỉnh công suất phát của tua bin để khôi phục tần số của hệ thống Hình I.7 minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của máy điều tốc cơ khí Khi tốc độ quay của bộ điều tốc tăng tỷ lệ với tốc độ quay của tua... Điều kiện công suất phát của tổ máy, sụt tải về 0, các vị trí của tổ máy không đƣợc hiển thị ở vị trí dừng và dừng khẩn cấp , với hồi tiếp tốc độ bình thƣờng và ít hơn 110% Khi tốc độ tổ máy bình thƣờng, modula tần số ứng dụng thuật toán PID đƣợc đƣa vào Khi hồi tiếp tần số hệ thống là bình thƣờng và vận hành là đặt cho tần số hệ thống tiếp tục có thể cho phép”, chƣơng trình sẽ sử dụng tổng của tần. .. 2: Máy phát làm việc trong hệ thống, trong trƣờng hợp này công suất của hệ thống do nhiều máy cung cấp và lớn hơn nhiều công suất của tổ máy đang xét * Trong trƣờng hợp 1: Bộ điều tốc duy trì tần số có giá trị định mức * Trong trƣờng hợp 2: Bộ điều tốc phải đảm bảo đƣợc điều chỉnh sơ cấp khi tần số lƣới lệch khỏi giá trị định mức, còn điều khiển thứ cấp đƣợc điều khiển từ xa theo lệnh của trung tâm điều . ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN. TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN.   ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG. đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: " ;Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền& quot;. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu.   NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN Chuyên ngành :   : 605260