Nghiên cứu hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện đồng bộ có xét đến PSS

Để tự động điều chỉnh dòng kích từ, người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp – AVR.. Thiết bị này cónhiệm v

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quantrọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phátđiện Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho cáccuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ Trong chế độlàm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnhđược điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suấtphản kháng phát vào lưới điện

Để tự động điều chỉnh dòng kích từ, người ta sử dụng hệ

thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính

là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp – AVR Thiết bị này cónhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát là không đổi (với

độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạntruyền tải công suất của máy phát vào hệ thống điện, đặc biệtkhi máy phát được nối với hệ thống qua đường dây dài

Trong quá trình vận hành hệ thống điện khi xuất hiện cácnhiễu loạn, khiến điện áp máy phát thay đổi bất thường, vớimáy phát trang bị AVR loại đáp ứng nhanh AVR có thể điềukhiển điện áp máy phát về giá trị cho phép Tuy nhiên AVRloại này thường làm tắt dần các dao động yếu hơn, nguyênnhân là do nó tạo ra mô men cản âm Để bù mô men cản âm

này người ta trang bị thêm bộ ổn định hệ thống điện PSS(Power System Stabilizer) Có thể thấy PSS đóng vai trò tươngđối quan trọng đối với sự ổn định của máy phát, đặc biệt là cácmáy phát điện công suất lớn nối với đường dây tải điện dài.

2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ

Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế sau đổi mới,làm nhu cầu về điện gia tăng đột biến Để đáp ứng được sự giatăng đó, chúng ta đã và đang xây dựng rất nhiều các nhà máyđiện như: thủy điện Sơn La, Thủy điện Lai Châu, nhiệt điệnVĩnh Tân 2, nhiệt điện Vũng Áng… đồng thời mở rộng các nhàmáy nhiệt điện đang có: Phả Lại 2, Uông Bí, Cẩm Phả, trungtâm nhiệt điện Phú Mỹ Điều đó đặt ra cho những kỹ sư thiết kế

và vận hành phải đối mặt với những vấn đề phức tạp về điềukhiển hệ thống điện ngày nay

Mặc dù đã có một số tác giả trong nước nghiên cứu vềảnh hưởng của hệ thống kích từ đối với ổn định của hệ thốngđiện … Nhưng lại chưa xem xét hiệu quả của các loại kích từ

có PSS Xuất phát từ những lý do đó, tác giả đã lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện đồng bộ có xét đến PSS” để làm vấn đề nghiên cứu cho luận

văn của mình

3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM

VỤ CỦA ĐỀ TÀI.

2

3.1 Đối tượng nghiên cứu.

- Nghiên cứu máy phát điện đồng bộ và mô hình toán họccủa máy phát điện đồng bộ

- Nghiên cứu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thống điệnPSS

- Nghiên cứu mô hình toán học của hệ thống kích từ và bộ

bộ ổn định hệ thống điện PSS

Dựa trên cơ sở những lý thuyết nghiên cứu trên tiếnhành mô phỏng kiểm chứng lý thuyết bằng phần mềm MatlabSimulink và chạy thực nghiệm trên card R&D DS1104

3.3 Nhiệm vụ của đề tài

Các yêu cầu trên sẽ được làm rõ và giải quyết trong luậnvăn như sau:

- Giới thiệu máy phát điện đồng bộ và mô hình toán học

của máy phát điện đồng bộ

- Giới thiệu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thốngđiện - PSS

- Xây dựng mô hình toán học của hệ thống kích từ và bộ

ổn định HTĐ

- Ứng dụng Matlab/Simulink, thí nghiệm trên Card R&DDS1104 để đánh giá hệ thống kích từ có CPSS tới ổn định củaHTĐ

4 NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Nguồn tài liệu.

Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước,các tạp chí khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liênquan, đặc biệt là các tài liệu tham khảo tại thư viện trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp, trung tậm học liệu Đại học Thái

Nguyên

4.2 Phương pháp nghiên cứu.

– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống

hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vựcliên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành; nghiên cứu cáccấu trúc hệ thống kích từ và PSS

4

– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các hệ

thống kích từ đang lắp đặt trong các nhà máy điện hiện nay ởViệt Nam, phân tích lý giải so sánh khi sử dụng phối hợp AVR

và PSS Mô phỏng mô hình toán của hệ thống trong MatlabR2010a & Simulink, tiến tới thí nghiệm trên Card R&DDS1104 của hãng dSPACE

5 ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN.

- Làm rõ ảnh hưởng của hệ thống kích từ đối với ổn địnhcủa HTĐ

- Phân tích được cấu trúc và đề xuất việc sử dụng các loại

hệ thống kích từ cho máy phát điện đồng bộ

- Khảo sát ổn định của một HTĐ khi sử dụng hệ thốngkích từ với PSS

- Mô phỏng thành công hiệu quả của các hệ thống kích từ

có PSS bằng phần mềm Matlab/Simulink và kiểm chứng kếtquả nghiên cứu bằng thí nghiệm trên Card R&D DS1104 củahãng dSPACE

6 KẾT CẤU LUẬN VĂN.

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm

4 chương:

Chương 1 Giới thiệu máy phát điện đồng bộ và mô hình

toán học của máy phát điện đồng bộ

Chương 2 Giới thiệu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ

thống điện - PSS

Chương 3 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống

kích từ và bộ ổn định HTĐ

Chương 4 Ứng dụng Matlab/Simulink, thí nghiệm trên

Card R&D DS1104 để đánh giá hệ thống kích từ có CPSS tới

ổn định của HTĐ

Trong chương này tác giả đã dành thời lượng đáng kể để

mô phỏng và làm thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của các hệthống kích từ có PSS đối với ổn định của HTĐ

6

CHƯƠNG I MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC

CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

I.1 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của cáclưới điện công nghiệp, trong đó động cơ sơ cấp là các tuabinhơi, tuabin khí hoặc tuabin nước Với công nghệ chế tạo hiệnđại, công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng trăm MW hoặclớn hơn Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay lớn hơn do đóđược chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục quay nằm ngang.Trong khi đó máy phát tuabin nước thường có tốc độ quay thấpnên có kết cấu theo kiểu cực lồi và trục đặt thẳng đứng

Máy phát điện đồng bộ 3 pha gồm 2 bộ phận chính làstato và rôto Stato của máy phát điện đồng bộ gồm hai bộ phận

là lõi thép và dây quấn 3 pha stator

- Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dầy 0,5 mm,hai mặt có phủ lớp sơn cách điện và dọc chiều dài của lõi thép

có các rãnh thông gió đặt ngang trục để làm mát

- Dây quấn stato được gọi là dây quấn phần ứng và đượcđặt trong các rãnh của stato

Rôto của máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dâyquấn kích từ Có thể phân rôto thành 2 loại: rôto cực ẩn và rôtocực lồi, Rôto cực ẩn thường dùng cho các máy phát tuabin hơi

có tốc độ quay cao, Rô to cực lồi thường dùng cho các máyphát tuabin nước có tốc độ quay thấp

Cực từ nằm ở phía ngoài của rôto, chúng thường phảichịu lực ly tâm lớn Để hạn chế tổn thất do dòng điện rò trêncực từ, chúng được chế tạo bởi các lá thép với đặc tính từ hoátốt

I.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Phương trình điện áp stato của máy phát điện đồng bộ hai

cực lý tưởng trong hệ toạ độ dq0 là :

qd r

qd s qd

0 0

0 0

0 0 0

0 0 1 0 1 0

kq

g

i i +g -g

kq

kd f+

Từ thông móc vòng của dây quấn rôto:

Các phương trình của máy điện đồng bộ trong hệ toạ độ

dq0 của rôto với các đại lượng rôto được quy đổi về stato là:

Công suất điện từ và mô men điện từ:

Hình 1-2 Sơ đồ đơn giản máy phát điện đồng bộ nối lưới

Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống quan trọngnhất quyết định đến sự làm viêc an toàn của máy phát điện Nó

có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây kích thíchcủa máy phát điện đồng bộ Dòng kích từ có thể điều chỉnhbằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổnđịnh, kinh tế của máy phát với chất lượng điện năng cao trongmọi tình huống

Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích

từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổilượng công suất phát vào lưới điện

II.1.3 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ.

Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điềuchỉnh chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp – AVR cónhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát không đổi (với độchính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi, nhằm nâng cao giới hạn

12

truyền tải công suất của máy phát vào HTĐ Đặc biệt khi máyphát được nối với hệ thống lưới qua đường dây dài Những yêucầu chung đối với hệ thống tự động điều chỉnh kích từ là:

- Hệ thống phải đảm bảo ổn định tĩnh và nâng cao tính

Trong trường hợp cầu đang mở có sự cố thì mạch điềukhiển của nó tự động ngắt xung kích từ để khóa thyristor, vàmạch điều khiển xung của cầu kia được tác động để tự động

mở thyristor Mỗi thyristor được lắp cùng với một cầu chì bảo

vệ, một cảm biến nhiệt điện trở để theo dõi nhiệt độ

II.2 HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Bộ ổn định hệ thống điện PSS là thiết bị tăng mômenhãm các dao động cơ điện trong máy phát Thiết bị này đượcdùng cho các máy phát lớn trong vài thập kỷ qua, cho phép sửdụng để cải thiện các hạn chế vận hành cưỡng bức ổn định Khitác động bởi sự thay đổi đột ngột trong điều kiện vận hành, tốc

độ và công suất của máy phát sẽ thay đổi xung quanh điểm vậnhành trạng thái ổn định Mối quan hệ giữa những đại lượng này

có thể được biểu diễn bởi công thức sau:

Các bộ kích từ có tốc độ phản ứng nhanh đi kèm với bộ

tự động điều chỉnh điện áp có hệ số khuếch đại cao và cưỡngbức để tăng hệ số đồng bộ mômen máy phát (Ms), kết quả cảithiện các giới hạn ổn định ngắn hạn và ổn định trạng thái tĩnh.Nhưng có nhược điểm là khi cải thiện mômen đồng bộ thườngxuyên tổn hao mômen hãm, kết quả làm giảm mức độ ổn địnhcác dao động nhỏ hoặc các tín hiệu nhỏ Để chống lại hiệu ứngnày, nhiều máy phát sử dụng AVR có hệ số khuếch đại cao

14

thường được trang bị thêm các PSS để tăng thêm hệ số hãm(Md) và cải thiện ổn định dao động.

CHƯƠNG III

MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH

TỪ VÀ BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

III.1 CÁC LOẠI KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT

III.1.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát một chiều.

Kích từ một chiều có chứa 2 máy phát điện một chiều:kích từ chính (ME) và kích từ phụ (AE), cả 2 đều được gá lắp

trên trục MPĐ chính ME cung cấp cho cuộn dây kích từ (Ufd)MPĐ chính, trong khi AE cung cấp cho cuộn dây kích từ của

ME Cuộn dây kích từ của AE được điều khiển với điện áp U con

từ AVR Để cung cấp cho cuộn dây kích từ của AE chỉ cần bộbiến đổi điện tử công suất thấp

III.1.2 Hệ thống kích từ xoay chiều.

Kích từ xoay chiều được đặt trên rôto của MPĐ đồng bộvới bộ chỉnh lưu diod Cả kích từ và máy phát cùng chung mộttrục Công suất chỉnh lưu diod kích từ được nối trực tiếp vớicuộn kích từ MPĐ Stator – dựa trên cuộn dây kích từ của kích

từ AC được điều khiển bởi AVR Hiện tại công suất bộ biếnđổi tĩnh đạt khoảng 1/20 (30) công suất cuộn dây kích từ MPĐ,nhưng chỉ thay đổi từng nấc

3

Kích từ chính (ME)

S G

Kích từ phụ (AE)

Bộ BĐ

công suất

tĩnh

Turbi ne

III.1.3 Hệ thống kích từ tĩnh.

Hiện nay có xu hướng sử dụng kích từ tĩnh, hầu hết đều làloại chỉnh lưu có điều khiển cung cấp cho cuộn dây kích từthông qua cơ cấu vành trượt và chổi than Nguồn cung cấp chomáy biến áp kích từ là nguồn phụ hoặc lấy từ đầu cực MPĐ.Kích từ tĩnh có đặc điểm là đáp ứng nhanh với hằng số thờigian T’d

III.2 MÔ HÌNH CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG KÍCH TỪ

Từ đầu cực máy phát



a) Sơ đồ khối kích từ một chiều độc lập;

+ +

V X

a)

b)

III.2.2 Kích từ xoay chiều và bộ chỉnh lưu.

III.2.3 Mô hình bộ khuếch đại.

Mô hình kích từ xoay chiều

C FD N E

K I I V

III.2.4 Bộ chuyển đổi điện áp đầu cực và bù tải.

III.2.5 Các hàm lựa chọn cổng.

III.2.6 Mô hình hoàn thiện hệ thống kích từ.

1

A A

K sT

Các khâu khuyếch đại

C B

sT sT

1

A A

K sK

sK sT

1 

A A

K sT



U

Amax

_ +

1

E

sT

E K

sK sT

K I I U

- Mô hình kích từ ST1A:

III.3 BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS

III.3.1 PSS đầu vào đơn – PSS1A.

III.3.1 PSS đầu vào kép.

(1 )(1 )(1 )(1 )

1

A A

K sK

sK sT

HV gate

LV gate

-U

F D

I LR

U*

UE L

U OEL U

U

EL +

* Điểm đầu vào thay thế

Et.U Rmax - K

w w

1

PSS

sT K sT

1 2

1 1

sT sT





3 4

1 1

sT sT

CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK VÀ CARD R&D DS1104 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG

KÍCH TỪ

CÓ PSS TỚI ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

IV.1 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK

IV.1.1 Các mô hình kích từ trong Matlab Simulnk

sT sT 1S27

K sT



8 9

(1 ) (1 )

N M

sT sT

1 1

S sT K sT





3 4

1 1

sT sT





Các khâu lọc thông cao

1

s

sT K sT

3 w3

1

sT sT

w2

1

s

sT K

Sơ đồ khối PSS3B

- Mô hình kích từ DC1A

Vstab

1 out_Ef

1 s Vs

VRmax/VRmin

1 s VR

Sum4

Sum3 Sum2 Sum1

Sum

AEx*exp(BEx*u[1]) Se

Scope 1/TF

Gain5

KF/TF Gain4

Gain3

-K-1/TE Gain2 1/TA

Gain1

KA/TA

Gain

1 s Ef 3

1 s

VR VAmax/VAmin

KF.s TF.s+1 Transfer Fcn Sum8

Sum6

Sum5

Sum2

AEx*exp(BEx*u[1]) Se

Scope1 Scope Product

KE Ke

KD Kd

KC Kc

1/TE Gain8 1/TA

Gain1

KA/TA

Gain

f(u) Fcn

1 s Ef

Divide1 4 Ifd

1 Out_Ef

VRmin VRmin

VRmax VRmax

KF.s TF.s+1 Transfer Fcn2

KA TA.s+1 Transfer Fcn Sum8

Scope

Product2 Product1 Product

KLR KLR

KC KC

up u lo y (Vt*VRmax-KC*Ifd)/(Vt*VRmin)

5 ILR

4 Ifd

IV.1.2 Kết quả mô phỏng.

- Trường hợp hệ thống kích từ DC1A có và không sử dụng PSS

Đáp ứng góc tải với kích từ DC1A

14 16 18 20 22 24 26 28 30 0.78

0.8 0.82 0.84 0.86 0.88

Thoi gian (s)

without PSS with PSS

Đáp ứng CSTD của máy phát với kích từ DC1A

Đáp ứng tốc độ rôto với kích từ

DC1A

14 16 18 20 22 24 26 28 30 -6

-4 -2 0 2 4

Đáp ứng sai lệch tốc độ rôto với

kích từ DC1A

24

- Trường hợp hệ thống kích từ AC1A có và không sử dụng PSS

Đáp ứng góc tải với kích từ AC1A

14 16 18 20 22 24 26 28 30 0.78

0.8 0.82 0.84 0.86 0.88

Thoi gian (s)

without PSS with PSS

Đáp ứng CSTD của máy phát với

Đáp ứng tốc độ rôto với kích từ

AC1A

14 16 18 20 22 24 26 28 30 -6

-4 -2 0 2 4

Đáp ứng sai lệch tốc độ rôto với

Đáp ứng góc tải với kích từ

ST1A

14 16 18 20 22 24 26 28 30 0.76

0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88

Thoi gian (s)

without PSS with PSS

Đáp ứng CSTD của máyphát với kích từ ST1A

IV.2 THỰC NGHIỆM TRÊN CARD R&D DS1104

IV.2.1 Xây dựng bàn thiết bị thí nghiệm

IV.2.1 Kết quả thí nghiệm

- Trường hợp hệ thống kích từ DC1A có và không sử dụng PSS

Thu thập giám sát dữ liệu Liên kết với phần mềm Matlab

a) Tốc độ b) CSTD máy phát

- Trường hợp hệ thống kích từ AC1A có và không sử dụng PSS

c) Tốc độ rôto c) Sai lệch tốc độ rôto ( 10 -4 )

- Trường hợp hệ thống kích từ ST1A có và không sử dụng PSS

28

KẾT LUẬN

Đánh giá nhiệm vụ:

Nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu hệ thống điều khiểnkích từ máy phát điện đồng bộ có xét đến bộ ổn định hệ thốngđiện (PSS)

Với những kết quả đã trình bày, có thể đánh giá một cáchchủ quan rằng nhiệm vụ đã luận văn đã được hoàn thành, thểhiện ở những đặc điểm sau:

- Luận văn đã đi sâu nghiên cứu, tìm hiểu cấu tạo, nguyên

lý làm việc, cũng như mô hình toán học của máy phát điệnđồng bộ, bộ kích từ của máy phát điện đồng bộ và mô hìnhtoán của bộ ổn định hệ thống điện PSS

- Đã nghiên cứu ứng dụng của phần mềm Matlab Simulinktrong mô phỏng hệ thống, nghiên cứu ứng dụng của Card R&DDS1104 trong mô phỏng thực nghiệm, lấy đó làm cơ sở kiểmchứng tính đúng đắn của lý thuyết

Tính khả thi của đề tài:

Với việc nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm thànhcông ta thấy hoàn toàn có thể triển khai ứng dụng kết quảnghiên cứu trong thực tế

Những vấn đề tồn tại và hướng phát triển:

Nghiên cứu hệ thống điều khiển kích từ máy phát điệnđồng bộ, nghiên cứu bộ ổn định hệ thống điện (PSS) đã vàđang là các hướng nghiên cứu được quan tâm của ngành.Những vấn đề trình bầy trong luận văn sẽ là hướng phát triển

để ta có thể tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng

30