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

MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hệ thống kích từ là một trong các hệ thống thiết bị quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc an toàn của máy phát điện. Nó có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phản 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 có nhiệm 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 hạn truyền tải công suất của máy phát vào hệ thống điện, đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống qua đường dây dài. Trong quá trình vận hành hệ thống điện khi xuất hiện các nhiễu loạn, khiến điện áp máy phát thay đổi bất thường, với máy phát trang bị AVR loại đáp ứng nhanh AVR có thể điều khiển điện áp máy phát về giá trị cho phép. Tuy nhiên AVR loại này thường làm tắt dần các dao động yếu hơn, nguyên nhân là do nó tạo ra mô men cản âm. Để bù mô men cản âm 1 này người ta trang bị thêm bộ ổn định hệ thống điện PSS (Power System Stabilizer). Có thể thấy PSS đóng vai trò tương đối quan trọng đối với sự ổn định của máy phát, đặc biệt là các máy 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 gia tăng đó, chúng ta đã và đang xây dựng rất nhiều các nhà máy điện như: thủy điện Sơn La, Thủy điện Lai Châu, nhiệt điện Vĩnh Tân 2, nhiệt điện Vũng Áng… đồng thời mở rộng các nhà máy nhiệt điện đang có: Phả Lại 2, Uông Bí, Cẩm Phả, trung tâm 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 điều khiển hệ thống điện ngày nay. Mặc dù đã có một số tác giả trong nước nghiên cứu về ảnh hưởng của hệ thống kích từ đối với ổn định của hệ thống điện … 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 học của máy phát điện đồng bộ. - Nghiên cứu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thống điện PSS. - Nghiên cứu mô hình toán học của hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thống điện PSS. - Nghiên cứu ứng dụng của Matlab Simulink trong mô phỏng và đánh giá hệ thống. 3.2. Phạm vi nghiên cứu. Nội dung luận văn tập chung nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc, mô hình toán và những ưu, nhược điểm của các hệ thống kích từ dùng trong máy phát điện đồng bộ, nghiên cứu mô hình toán và những đặc điểm cơ bản nhất của bộ ổn định hệ thống điện PSS. Dựa trên cơ sở những lý thuyết nghiên cứu trên tiến hành mô phỏng kiểm chứng lý thuyết bằng phần mềm Matlab Simulink 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 luận văn như sau: - Giới thiệu máy phát điện đồng bộ và mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ. 3 - Giới thiệu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thống điện - 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&D DS1104 để đánh giá hệ thống kích từ có CPSS tới ổn định của HTĐ 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 liên quan, 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 vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành; nghiên cứu các cấu trúc hệ thống kích từ và PSS. – Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc các hệ thống kích từ đang lắp đặt trong các nhà máy điện hiện nay ở Việt Nam, phân tích lý giải so sánh khi sử dụng phối hợp AVR và PSS. Mô phỏng mô hình toán của hệ thống trong Matlab 4 R2010a & Simulink, tiến tới thí nghiệm trên Card R&D DS1104 của hãng dSPACE. 5. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN. - Làm rõ ảnh hưởng của hệ thống kích từ đối với ổn định của 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 thống kích 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 kết quả nghiên cứu bằng thí nghiệm trên Card R&D DS1104 của hãng 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. 5 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 hệ thống 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 các lưới điện công nghiệp, trong đó động cơ sơ cấp là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước. Với công nghệ chế tạo hiện đại, công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng trăm MW hoặc lớn hơn. Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay lớn hơn do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục quay nằm ngang. Trong khi đó máy phát tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và trục đặt thẳng đứng. Máy phát điện đồng bộ 3 pha gồm 2 bộ phận chính là stato 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 được đặt trong các rãnh của stato. 7 Rôto của máy phát điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ. Có thể phân rôto thành 2 loại: rôto cực ẩn và rôto cực 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 máy phát tuabin nước có tốc độ quay thấp. Cực từ nằm ở phía ngoài của rôto, chúng thường phải chịu lực ly tâm lớn. Để hạn chế tổn thất do dòng điện rò trên cực từ, chúng được chế tạo bởi các lá thép với đặc tính từ hoá tốt. 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 : Rôto Stator b a c i b i a i c u a u b u c + - + - + - v ω kd v Trục q Trục d Trục a kq g i i +g -g kq kd f+ f- θ r Trục a Hình Error! No text of specified style in document.1. Mô hình mạch của một máy điện đồng bộ lý tưởng 8 [ ] [ ] [ ] [ ] dt d iru qd qdrqdsqd 0 000 000 001 010 Λ −Λ           −+= ω Từ thông móc vòng của dây quấn rôto: 3 2 kt sf d ff kt fkd kd L i L i L i λ = + + 3 2 kd skd d fkd f kdkd kd L i L i L i λ = + + 3 2 g sg q gg g gkq kq L i L i L i λ = + + 3 2 kq skq q gkq g kqkq kq L i L i L i λ = + + 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: V q r q s q d d d u r i dt dt λ θ λ = + + d r d s d q d d u r i dt dt λ θ λ = + − 0 0 0s d u r i dt λ = + f f f f d u r i dt λ ′ ′ ′ ′ = + kd kd kd kd d u r i dt λ ′ ′ ′ ′ = + 9 g g g g d u r i dt λ ′ ′ ′ ′ = + kq kq kq kq d u r i dt λ ′ ′ ′ ′ = + Công suất điện từ và mô men điện từ: ( ) 3 W 2 2 e rm d q q d p P i i ω λ λ = − và ( ) 3 N.m 2 2 e d q q d p M i i λ λ = − I.3. CÁC PHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ. - Phương trình mô men điện từ của máy có p cực từ: 3 3 ( ) ( ) 2 2 2 2 e e d q q d d q q d rm b P p p M i i i i λ λ ψ ψ ω ω = = − = − - Phương trình chuyển động của roto: ( ) 2 ( ) N.m rm r e T d d t J d t M M M J dt p dt ω ω + − = = - Góc rô to: 0 ( ) ( ) rad/s 2 t r e e T d p t M M M dt J ω ω − = + − ∫ I.4. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 10 [...]... 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 (U fd) 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 Ucon từ AVR Để cung cấp cho cuộn dây kích từ. .. CSTD máy phát Tốc độ rôto c) Tốc độ d) Sai lệch tốc độ rôto (× 10-4) - Trường hợp hệ thống kích từ AC1A có và không sử dụng PSS a) b) CSTD máy phát Góc tải 27 c) c) Tốc độ rôto Sai lệch tốc độ rôto (× 10-4) - Trường hợp hệ thống kích từ ST1A có và không sử dụng PSS a) b) CSTD máy phát Góc tải 28 KẾT LUẬN Đánh giá nhiệm vụ: Nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện đồng. .. đồng bộ có xét đến bộ ổn định hệ thống điện (PSS) Với những kết quả đã trình bày, có thể đánh giá một cách chủ quan rằng nhiệm vụ đã luận văn đã được hoàn thành, thể hiện 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 điện đồng bộ, bộ kích từ của máy phát điện đồng bộ và mô hình toán của bộ ổn định hệ thống điện PSS. .. của hệ thống điện đơn giản bao gồm 1 máy phát nối với thanh cái thông qua đường dây với tổng trở re + jxe ′ ′ uq = −(rs + re )iq − (x d + xe )id + E q ′ ′ ud = −(rs + re )id + (x d + xe )id + E d jX’d Lưới điện jXe Eth E’ Hình 1-2 Sơ đồ đơn giản máy phát điện đồng bộ nối lưới 11 CHƯƠNG II HỆ THỐNG KÍCH TỪ VÀ BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PSS II.1 HỆ THỐNG KÍCH TỪ II.1.1 Khái niệm chung Hệ thống kích từ. .. điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát và thay đổi lượng công suất phát vào lưới điện II.1.2 Các thành phần chính của hệ thống kích từ Thiết bị kích từ bao gồm: - Máy biến áp kiểu khô - Bộ chỉnh lưu thyristor - Bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR - Bộ phận diệt từ 12 - Thiết bị bảo vệ quá áp và tất cả trang thiết bị cần thiết cho việc điều khiển, bảo vệ hệ thống kích từ, máy phát trong các điều kiện làm... quả nghiên cứu trong thực tế Những vấn đề tồn tại và hướng phát triển: 29 Nghiên cứu hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện đồng bộ, nghiên cứu bộ ổn định hệ thống điện (PSS) đã và đang 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 ... hành ổn định Như vậy một máy phát sẽ được duy trì sự ổn định nếu PSS tác động lên hệ thống kích từ làm cho các mômen đồng bộ và mômen hãm đủ để dập các dao động rôto của máy phát làm việc trong trường hợp không bình thường 14 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 cưỡng bức để tăng hệ số đồng bộ mômen máy phát (Ms), kết quả cải thiện... bình thường và sự cố II.1.3 Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều chỉnh chính là thiết bị tự động điều chỉnh điện áp – AVR có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát không đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải thay đổi, nhằm nâng cao giới hạn truyền tải công suất của máy phát vào HTĐ Đặc biệt khi máy phát được nối với hệ thống lưới qua đường dây... của AE chỉ cần bộ biến đổi điện tử công suất thấp nguồn 3 pha ∼ + Bộ BĐ điện tử (AV công suất on R) _ Uc + Ufd _ Kích từ phụ (AE) Kích từ chính (ME) S G Turbi ne 3∼ III.1.2 Hệ thống kích từ xoay chiều Kích từ xoay chiều được đặt trên rôto của MPĐ đồng bộ với bộ chỉnh lưu diod Cả kích từ và máy phát cùng chung một trục Công suất chỉnh lưu diod kích từ được nối trực tiếp với cuộn kích từ MPĐ Stator –... các hệ thống quan trọng nhất 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 thích của máy phát điện đồng bộ Dòng kích từ có thể điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của máy phát với chất lượng điện năng cao trong mọi tình huống Trong chế độ làm việc bình thường, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều . cứu. - Nghiên cứu máy phát điện đồng bộ và mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ. - Nghiên cứu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thống điện PSS. - Nghiên cứu mô hình toán học của hệ thống kích. xem xét ảnh hưởng của các hệ thống 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. thiệu máy phát điện đồng bộ và mô hình toán học của máy phát điện đồng bộ. 3 - Giới thiệu hệ thống kích từ và bộ ổn định hệ thống điện - PSS - Xây dựng mô hình toán học của hệ thống kích từ và bộ