ổn định tần số trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN S K C 0 9 Mà SỐ: SV2009 - 75 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đề Tài: ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SVTH : NGUYỄN TRỊNH THÀNH VINH NGUYỄN LÊ DUY LN GVHD : TS TRƯƠNG VIỆT ANH Tp Hồ Chí Minh Tháng 07 - 2010 Lời nhận xét q thầy Đề tài nghiên cứu khoa học ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MỤC LỤC Trang CHƢƠNG 1: 02 1.Tính cần thiết ổn định tần số 03 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 03 Phạm vi nghiên cứu 03 Bố cục 03 CHƢƠNG 2: 04 Các phương pháp điều khiển 04 Phân tích ưu, nhược điểm phần chọn lựa 04 Bình luận phương pháp 04 CHƢƠNG 3: 04 Mơ hình thí nghiệm 06 a Phương pháp điều khiển 06 b Giới thiệu phần tử thí nghiệm 08 Thuật tốn điều khiển 08 CHƢƠNG 4: 16 Thiết kế mơ hình (bản vẽ, thi cơng, ảnh…) 20 Thí nghiệm (xây dựng mơ hình thí nghiệm) 21 So sánh phương pháp khác 21 CHƢƠNG 5: Kết luận 22 Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học CHƢƠNG 1.1 Tính cần thiết ổn định tần số Tần số tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng điện Tốc độ quay suất làm việc động đồng khơng đồng phụ thuộc vào tần số dòng xoay chiều Khi tần số giảm suất chúng bị giảm thấp Tần số tăng cao dẫn đến tiêu hao lượng q mức Do số ngun nhân khác, tần số ln giữ mức ổn định Đối với hệ thống điện Việt Nam, trị số định mức tần số quy định 50Hz Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức  0.1Hz Việc sản xuất tiêu thụ cơng suất tác dụng xảy đồng thời Vì chế độ làm việc bình thường, cơng suất PF máy phát nhà máy điện phát phải tổng cơng suất phụ tải tiêu thụ Ptt cơng suất tổn thất Pth đường dây truyền tải phần tử khác mạng điện, nghĩa tn theo điều kiện cân cơng suất tác dụng: PF=Ptt+Pth=PPT Trong đó, PPT phụ tải tổng máy phát Khi có cân cơng suất tần số giữ khơng đổi Nhưng vào thời điểm tùy thuộc số lượng hộ tiêu thụ nối vào tải chúng, phụ tải hệ thống điện liên tục thay đổi làm phá hủy cân cơng suất làm tần số ln biến động Để trì tần số định mức hệ thống điện u cầu phải thay đổi cơng suất tác dụng cách tương ứng kịp thời Như vấn đề điều chỉnh tần số phân phối cơng suất tác dụng tổ máy phát nhà máy điện Tần số điều chỉnh cách thay đổi lượng nước đưa vào tua-bin Khi thay đổi lượng nước vào tua-bin, cơng suất máy phát thay đổi 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài: a Mục tiêu: - Tìm cách ổn định tần số hệ thống điện Việt Nam - Giúp hiểu rõ đại lượng liên quan đến việc phát điện Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học - Đưa thí nghiệm kết thu áp dụng vào thực tế Trong pham vi nghiên cứu chúng tơi hy vọng áp dụng vào việc giảng dạy cho sv chun ngành điện cơng nghiệp trường đại học b Nhiệm vụ: Tìm mơ hình để trình bày cho người đễ hiểu 1.3 Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn quy mơ nhỏ nhằm phục vụ cho sinh viên giảng viên chun ngành điện cơng nghiệp nghiên cứu 1.4 Bố cục: Đề tài gồm phần: lý thuyết làm thí nghiệm Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học CHƢƠNG 2.1 Các phƣơng pháp điều khiển: Có phương pháp điều khiển: điều chỉnh tốc độ quay tua-bin sơ cấp, điều chỉnh phân phối cơng suất tác dụng máy phát làm việc song song, tự động giảm tải theo tần số Trong đề tài chúng tơi lựa chọn phương án thứ để ổn định tần số 2.2 Phân tích ƣu, nhƣợc điểm phƣơng án chọn: 2.2.1 Ƣu điểm:  Đảm bảo cung cấp đủ cơng suất cho tất phụ tải hệ thống có dự phòng, đảm bảo tần số lưới dao động 49.5-50.5 Hz  Hiệu suất lớn ngồi phương pháp sử dụng rộng rãi giúp người thực dễ sử dụng  Dễ dung để điều khiển biến tần 2.2.2 Nhƣợc điểm: 2.2.2.1 Thay đổi tần số làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc động 2.2.2.2 Khi giảm f1 < fđm mà thành phần khác giữ ngun mạch từ động bão hòa, điện kháng mạch từ giảm xuống dòng từ hóa tăng lên làm cho động q tải từ Còn ngược lại f1 > fđm động q tải dòng 2.3 Phƣơng pháp ổn định tần số động cơ: Vì thay đổi tần số f1 để điều chỉnh tốc độ người ta thường kết hợp thay đổi điện áp stator u1 người ta thường dùng biến đổi tần số (BT) để điều khiển tốc độ động hình 2.1 Hình 2.1: cách lắp đặt biến tần Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học  Cách lắp đặt biến tần: Hình 2.2: sơ đố nối dây biến tần loại 0.4 – 7.5kw Hình 2.3: sơ đố nối dây biến tần loại 11 – 22kw Display FWD REV RUN SET segment Sáng lên suốt q trình Đèn nhấp nháy có lỗi Forward chạy xảy Sáng lên suốt q trình Reserve chạy Sáng lên suốt q trình hoạt động Sáng lên suốt q trình cài đặt thơng số Mơ tả trạng thái hoạt động thơng tin thơng số Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học Keys STOP/RESET    UP DOWN LEFT  RIGHT  ENT Điều khiển hoạt động STOP: dừng điều khiển suốt q trình hoạt động RESET: điều khiển RESET có lỗi xảy Dùng để cuộn từ đầu đến cuối code hay tăng giá trị thơng số Dùng để cuộn từ đầu đến cuối code hay giảm giá trị thơng số Dùng để nhảy sang nhóm thơng số khác di chuyển trỏ sang trái để thay đổi giá trị thơng số Dùng để nhảy sang nhóm thơng số khác di chuyển trỏ sang phải để thay đổi giá trị thơng số Dùng để cài đặt giá trị thơng số hay lưu giá trị thơng số Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học CHƢƠNG Mơ hình thí nghiệm: Phƣơng pháp điều khiển: Quy luật điều khiển điện áp stator thay đổi tần số: Đối với hệ dùng biến tần nguồn áp thường có u cầu giữ cho khả q tải moment khơng đổi phạm vi điều chỉnh tốc độ Hình 3.1: xác định khả q tải mơment Các đặc tính điều chỉnh tần số điện áp stator: Các đặc tính thay đổi tần số điện áp stator với phụ tải khác Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 10 Stator gäưm hai bäü pháûn chênh l li thẹp v dáy qún, ngoi cn cọ v mạy v nàõp mạy Rotor (pháưn quay) Rotor l pháưn quay gäưm li thẹp, dáy qún v trủc mạy 3.1.2.2.3 Kích từ máy phát điện Máy phát điện muốn phát điện được, ngồi việc phải có động sơ cấp kéo, phải có dòng điện kích từ Dòng điện kích từ dòng điện chiều, đưa vào Rơ to máy phát để kích thích từ trường Rơ to máy phát Hệ thống thiết bị tạo dòng điện chiều gọi chung hệ thống kích thích máy phát Dòng điện kích thích máy phát, chủ yếu để tạo từ trường cho Rotor tác động dùng để điều chỉnh điện áp máy phát Ngồi ra, dòng điện điều chỉnh cơng suất vơ cơng máy phát máy phát nối vào lưới Để thay đổi trị số dòng điện kích thích nhằm đáp ứng u cầu trên, cần phải có phận điều khiển Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích thích gọi hệ thống điều khiển điện áp, hay gọi tắt điều áp 3.1.2.2.4 Điều khiển P Cơng suất khả dụng P cơng suất tối đa mà máy phát phát an tồn liên tục mà khơng vi phạm thơng số kỹ thuật khác Thơng thường, cơng suất định mức tính tốn điều kiện tiêu chuẩn Trong thực tế, điều kiện vận hành thiết bị khơng với Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 11 điều kiện tiêu chuẩn Vì cơng suất khả dụng thường thấp cơng suất định mức Các điều kiện ảnh hưởng đến cơng suất khả dụng máy là: Nhiệt độ mơi trường Sự thay đổi chế độ làm mát máy phát Sự lão hóa chất cách điện, làm cho nhiệt độ chịu đựng máy phải giảm xuống  Những giới hạn động sơ cấp kéo  Những giới hạn thiết bị lắp phía sau nó: máy cắt, máy biến áp, đường dây    Bộ biến tần: Bé biÕn ®ỉi tÇn sè hay cßn gäi lµ c¸c bé biÕn tÇn lµ thiÕt bÞ biÕn ®ỉi dßng ®iƯn xoay chiỊu ë tÇn sè nµy thµnh dßng ®iƯn xoay chiỊu cã tÇn sè kh¸c mµ cã thĨ thay ®ỉi ®ưỵc §èi víi c¸c bé biÕn tÇn dïng cho viƯc ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ xoaychiỊu th× ngoµi viƯc thay ®ỉi tÇn sè cđa chóng cßn cã thĨ thay ®ỉi c¶ ®iƯn ¸p kh¸c víi ®iƯn ¸p lưíi cÊp vµo bé biÕn tÇn Biến tần thay đổi tần số điện áp cấp nguồn cho động nhằm điều chỉnh tốc độ phù hợp với u cầu hệ truyền động Giá trị "tốc độ tham chiếu" lấy từ điều khiển q trình (lưu lượng hay áp suất) Đây điều khiển loại PI tách rời hay tích hợp sẵn biến tần Các tốc độ tham chiếu chức "tăng tốc/ giảm tốc" đơi sử dụng để vận hành theo tín hiệu điều khiển logic Ngồi ưu điểm khởi động mềm, biến tần có tính ưu việt khác:     Điều chỉnh lưu lượng áp suất mức u cầu Hiệu suất cao chế độ làm việc liên tục Tự động hóa hồn tồn Tiết kiệm điện đáng kế Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 12 Biến tần kết hợp động khơng đồng thay giải pháp truyền thống sử dụng van điều khiển cho phép tiết kiệm điện nhờ khả thay đổi tốc độ Việc loại bỏ van tiết lưu đơn giản hóa đáng kể hệ thống đường ống giảm thiểu việc tổn hao áp suất Nhỏ gọn kinh tế, dòng biến tần LS - iG5A manh mẽ tối ưu hiệu suất Nó đáp ứng nhu cầu khách hàng ứng dụng: Giao tiếp, PID control, space vector, PWM, IG5 có cơng suất: 0.37~7.5KW/200~230V pha 0.75~7.5KW/380~460V pha Nhiều chức cho đầu vào số Đầu vào tương tự: 0~10VDC, 4~20mA Đầu rơle cảnh báo Đầu tương tự: 0~10VDC Có sẵn điều khiển PID Truyền thơng: RS-48 Đặc tính kỹ thuật: • iG5 dòng biến tần nhỏ gọn, đa thân thiện với người sử dụng • Cơng nghệ điều khiển vector khơng gian PWM • Loại pha 200V có cơng suất: 0,75 ~ 1,5kW • Loại pha 200/400V có cơng suất 0,75 ~ 3,7kW • Phù hợp với chuẩn: CE, UL, cUL • Điều khiển vector khơng gian băng thuật tốn algorithm điều chỉnh thăng giáng mơmen quay low THD • Mơmen 150% 0,5Hz • Tần số đầu 0,01 ~ 400Hz • Tần số sóng mang ~ 10kHz • cấp điều chỉnh tốc độ • Đa chức năng, thao tác ổn định • Cấp bảo vệ IP20 • Tích hợp giao diện truyền thơng RS485/MODBUS-RTU • đầu vào đa năng, đầu đa • Ổn định dòng điện nhả tự Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 13 • Có thể chon tăng cường mơmen tay/tự động • Điều khiển remote với cable nối riêng lắp cố định • Tích hợp hãm cắt • Điều khiển PID • Tự động restart sau điện tức thời • Bảo vệ nối sai dây nguồn/tải • Upload download thơng số từ phím Sơ đồ kết nối phần cứng: Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 14 Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 15 Một số thơng số cài đặt cho biến tần: 0.00: nhập tần số mong muốn ACC: thời gian tăng tốc dEC: thời gian giảm tốc drv: chọn chiều quay cho động Frq: chọn phương pháp thiết lập tần số đặt St1-St3: chế độ chạy nhiều cấp tần số F30: chọn phương pháp điều khiển U/F(tuyến tính,theo đường cong hay chế độ U/F đa điểm) số thơng số cài đặt cho biến tần sử dụng chức PID: H49: chọn chế độ PID (1-cho phép;0-khơng cho phép) H50: chọn tín hiệu hồi tiếp(0-dòng 0~20mA;1-áp 0~10V) H51: nhập KP (%) H52: nhập KI (s) H53: nhập KD (s) H54: nhập độ lợi cho tín hiệu hồi tiếp H55: nhập giới hạn tần số ngõ H56: nhập giới hạn tần số ngõ H57: nhập giá trị tham chiếu H58: chọn đơn vị tính cho PID theo % hay theo Hz H61: thời gian chờ ngủ đơng H62: tần số ngủ đơng H63: mức khởi động lại(%) Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 16 Một số thơng số cài đặt cho biến tần sử dụng chức AutoTurning: H41: chọn chế độ auto tuning(1-cho phép) H42: nhập điện trở Stator động (0~28Ω) H43: nhập điện dung động (0~300.00mH) Khi biến tần tự động tính tốn thơng số tối ưu cho điều khiển PID Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 17 CHƢƠNG 4.1 Thiết kế mơ hình: Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 18 Hình 4.1: Động pha Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 19 Hình 4.2: mơ hình rắp máy vào Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 20 Hình 4.3: Bộ biến tần Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 21 Hình 4.4: mơ hình hồn chỉnh 4.2 Thí nghiệm: Cho động chạy tần số f = 50HZ, sau ta tăng tốc độ động lên nhờ biến tần mà tần số khơng đổi thay đổi điện áp Tương tự ta cho động chạy chậm lại Chúng ta thay đổi tốc độ động mà giữ tần số khơng đổiac Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 22 Hình 4.5: mơ máy tính 4.3 Ƣu, nhƣợc điểm so với cách điều khiển khác: Ổn định tần số hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 23 CHƢƠNG 5.1 Tóm tắt cơng trình: Sau thời gian làm việc với giúp đỡ thầy Trương Việt Anh người thực hồn thành kết sau:  Tìm hiểu lý thuyết động ba pha  Tìm hiểu lý thuyết biến tần  Khảo sát cách ổn định tần số động điện 5.2 TỰ ĐÁNH GIÁ VỀ MỨC ĐỘ ĐỐNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI VỀ HAI MẶT: LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN: Về lý luận: xây dựng sở lý thuyết môn học cung cấp điện kết hợp với mơn điều khiển tự động Môn học mà chương trình đào tạo ngành Điện Khí Hoá – Cung Cấp Điện đưa vào giảng dạy, đềâ tài dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên quan tâm đến môn học Về mặt thực tiễn: giới thiệu động khơng đồng pha, giới thiệu biến tần cách sử dụng 5.3 Hướng phát triển đề tài: Do thời gian nghiên cứu có hạn, tài liệu tham khảo không nhiều nên tác giả giải vấn đề sau:  Tìm hiểu lý thuyết động ba pha  Tìm hiểu lý thuyết biến tần  Khảo sát cách ổn định tần số động điện Nếu thời gian nghiên cứu cho phép thoả mãn, kinh phí nghiên cứu cho phép thoả mãn nhân cộng tác nghiên cứu cho phép thoả mãn đề tài phát triễn theo hướng sau: sâu vào tìm hiểu lý thuyết máy điện, điều khiển tự động Cách điều chỉnh tốc độ động theo hướng khác điều chỉnh cơng suất phản kháng hay cơng suất tác dụng Ổn định tần số hệ thống điện [...]... nhập điện dung của động cơ (0~300.00mH) Khi đó biến tần sẽ tự động tính tốn các thơng số tối ưu cho bộ điều khiển PID Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 17 CHƢƠNG 4 4.1 Thiết kế mơ hình: Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 18 Hình 4.1: Động cơ 3 pha Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 19 Hình 4.2: mơ hình khi rắp 2 máy vào Ổn. .. thơng số từ bộ phím Sơ đồ kết nối phần cứng: Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 14 Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 15 Một số thơng số cài đặt cơ bản cho biến tần: 0.00: nhập tần số mong muốn ACC: thời gian tăng tốc dEC: thời gian giảm tốc drv: chọn chiều quay cho động cơ Frq: chọn phương pháp thiết lập tần số đặt St1-St3: chế độ chạy nhiều cấp tần. .. học 19 Hình 4.2: mơ hình khi rắp 2 máy vào Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 20 Hình 4.3: Bộ biến tần Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 21 Hình 4.4: mơ hình hồn chỉnh 4.2 Thí nghiệm: Cho động cơ chạy ở tần số f = 50HZ, sau đó ta tăng tốc độ động cơ lên nhờ bộ biến tần mà tần số khơng đổi chỉ thay đổi điện áp ra Tương tự khi ta cho động cơ chạy chậm... ra Tương tự khi ta cho động cơ chạy chậm lại Chúng ta có thể thay đổi tốc độ động cơ mà vẫn có thể giữ tần số khơng đổiac Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 22 Hình 4.5: mơ phỏng trên máy tính 4.3 Ƣu, nhƣợc điểm so với các cách điều khiển khác: Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 23 CHƢƠNG 5 5.1 Tóm tắt cơng trình: Sau thời gian làm việc cật lực cùng... H56: nhập giới hạn dưới tần số ngõ ra H57: nhập giá trị tham chiếu H58: chọn đơn vị tính cho PID theo % hay theo Hz H61: thời gian chờ ngủ đơng H62: tần số ngủ đơng H63: mức khởi động lại(%) Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 16 Một số thơng số cài đặt cho biến tần khi sử dụng chức năng AutoTurning: H41: chọn chế độ auto tuning(1-cho phép) H42: nhập điện trở Stator của động... hơn trong chế độ làm việc liên tục Tự động hóa hồn tồn Tiết kiệm điện năng đáng kế Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 12 Biến tần kết hợp động cơ khơng đồng bộ có thể thay thế giải pháp truyền thống sử dụng van điều khiển và cho phép tiết kiệm điện năng nhờ khả năng thay đổi tốc độ Việc loại bỏ van tiết lưu sẽ đơn giản hóa đáng kể hệ thống đường ống và giảm thiểu việc tổn... năng, thao tác ổn định • Cấp bảo vệ IP20 • Tích hợp giao diện truyền thơng RS485/MODBUS-RTU • 3 đầu vào đa năng, 1 đầu ra đa năng • Ổn định dòng điện nhả tự do Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 13 • Có thể chon tăng cường mơmen bằng tay/tự động • Điều khiển remote với cable nối riêng và lắp cố định • Tích hợp hãm cắt • Điều khiển PID • Tự động restart sau khi mất điện tức thời... điện áp Cấu tạo: Stator (pháưn ténh) Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 10 Stator gäưm hai bäü pháûn chênh l li thẹp v dáy qún, ngoi ra cn cọ v mạy v nàõp mạy Rotor (pháưn quay) Rotor l pháưn quay gäưm li thẹp, dáy qún v trủc mạy 3.1.2.2.3 Kích từ máy phát điện Máy phát điện muốn phát ra điện được, ngồi việc phải có động cơ sơ cấp kéo, còn phải có dòng điện kích từ Dòng điện. .. điều kiện tiêu chuẩn Trong thực tế, các điều kiện vận hành của thiết bị có thể khơng đúng với Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 11 điều kiện tiêu chuẩn Vì thế cơng suất khả dụng thường thấp hơn cơng suất định mức Các điều kiện ảnh hưởng đến cơng suất khả dụng của máy là: Nhiệt độ mơi trường Sự thay đổi chế độ làm mát của máy phát Sự lão hóa của chất cách điện, làm cho nhiệt... sức kéo trong hầu hết các hệ thống máy cơng nghiệp Cơng suất của các động cơ khơng đồng bộ có thể đạt đến 500 kW (tương đương 670 hp) và được thiết kế tn theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay đổi dễ dàng các nhà cung cấp Ổn định tần số trong hệ thống điện Đề tài nghiên cứu khoa học 9  Phần tĩnh: Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn + Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn,