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 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 hoá - Trường đại học kỹ thuật Công 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 công trình nghiên cứu thân thực dựa hướng dẫn Thầy, để thực hoàn thành luận văn 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 lòng sông (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 thông 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 vòng 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 toán động học nhà máy thuỷ điện - 36 2.2.1 Mô hình động học đường ống dẫn nước - 38 2.2.2 Mô hình động học turbine - 38 2.2.3 Mô hình động học rotor - 42 2.2.4 Mô hình hệ thống dẫn động - 42 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -52.2.5 Mô hình điều tốc turbine - 43 2.2.6 Mô 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 không cân 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 mô hình nâng cao chất lượng điều tốc turbine - 63 2.8.1 Mô 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 Mô hình toán máy phát điện đồng - 75 3.3.1 Mô hình mạch máy phát điện đồng - 75 3.3.2 Biến đổi hệ tọa độ qd0 roto - 79 3.3.3 Từ thông móc vòng tính theo dòng 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 không tải máy phát điện đồng - 91 3.5.3 Đặc tính - 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 công 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 Mô hình tải đối xứng ba pha máy phát đồng - 103 3.9 Xây dựng mô hình turbine – máy phát hệ thống điện - 104 3.9.1 Một số vấn đề máy phát hệ thống điện - 104 3.9.2 Mô 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 mô malab simulik - 109 4.2.1 Mô 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 Mô hình điều chỉnh kích từ với kích từ - 113 4.2.4 Mô 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 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 vô 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 dòng chảy - 13 Hình 1-2 Dòng chảy sở - 13 Hình 1-3 Sơ đồ tuyến nhà máy thủy điện - 16 Hình 1-4 Sơ đồ Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông - 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 dòng 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 công tác Turbine - 29 Hình 1-15 Đường đặc tính loại turbine - 30 Hình 1-16 Đặc tính vòng 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 mô hình phi tuyến Turbine - 39 Hình 2-6 Sở đồ mô hình tuyến tính điều tốc turbine - 40 Hình 2-7 Sơ đồ dẫn động cấu trợ động - 43 Hình 2-8 Sơ đồ mô hoá hệ thống thiết bị truyền động điện - thuỷ lực - 43 Hình 2-8 Piston thủy lực kiểm soát 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 không cân dư - 55 Hình 2-15 Đặc tính biến đổi số vòng 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 công 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 Mô 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 hoá 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 Mô hình hệ thống tua bin nhà máy thuỷ điện - 73 Hình 3-2 Nguyên lý trình sản xuất điện - 75 Hình 3-3 Mô 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 không tải máy phát - 91 Turbine nước (1), máy phát Turbine nước (2) - 91 Hình 3-7 Đặc tính 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 không tải - 94 tam giác điện kháng - 94 Hình 3-10 Đặc tính ngắn mạch máy phát đồng - 95 Hình 3-11 Công 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 Công suất tác dụng máy phát điện đồng cực lồi - 102 Hình 3-16 Mô 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 Mô hình máy phát mô - 110 Hình 4-2 Mô hình hệ thống lưới điện - 110 Hình 4-3 Mô hình mô phần điện máy phát - 111 Hình 4-4 Mô hình mô 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 mô 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 dòng iabc máy phát khởi động(pu) - 117 Hình 4-19 Mô hình máy phát hoạt động trình vận hành tải độc lập - 118 Hình 4-20 Đáp ứng công suất phản kháng công 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 mô 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 dòng kích từ (pu) - 121 Hình 4-26 Mô hình máy phát hoạt động trình hoà 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 dòng điện Stato máy phát (pu) - 124 Hình 4-30 Đáp ứng điện áp kích từ (pu) - 124 Hình 4-31 Đáp ứng công 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 công 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 data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... 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 -... 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 ... 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