Nghiên cứu, nâng cao chất lượng hệ thống điều tốc ổn định tần số máy phát thủy điện Bình Điền

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : 605260 Ngƣời thực : NGUYỄN TÂM PHƢƠNG Cán HD khoa học : PGS.TS VÕ QUANG LẠP THÁI NGUYÊN-NĂM 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự – Hạnh phúc ***** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN Học viên : Nguyễn Tâm Phƣơng Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH : PGS.TS Võ Quang Lạp CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Võ Quang Lạp BAN GIÁM HIỆU Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HỌC VIÊN Nguyễn Tâm Phƣơng KHOA SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi , Nguyễn Tâm Phƣơng học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá 2008-2010 sau hai năm học tập nghiên cứu, đƣợc giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt thầy PGS.TS Võ Quang Lạp, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp tôi, đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ Tôi 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 công trình nghiên cứu cá nhân dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Võ Quang Lạp tham khảo tài liệu đƣợc liệt kê Tôi không chép công trình cá nhân khác dƣới hình thức Nếu có xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Ngƣời cam đoan Nguyễn Tâm Phƣơng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 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 điều tốc I.1.1 Tần số chất lƣợng điện I.1.2 Điều tốc ổn định tần số I.1.3 Phân loại loại điều tốc I.1.3.1 Trên sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cấu điều chỉnh phân loại I.1.3.2 Trên sở hoạt động điều chỉnh phân loại I.1.3.3 Dựa sở tín hiệu công tác phần tử điều chỉnh I.1.3.4 Trên sở nguyên lý xây dựng điều chỉnh vòng quay phân loại I.1.3.5 Dựa sở sử dụng loại phản hồi khác phân loại 9 I.1.4 Các thông số điều tốc 10 I.1.5 Giới thiệu số điều tốc 12 I.1.5.1 Điều tốc khí 12 I.1.5.2 Điều tốc điện 14 I.2 Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 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 loại van 25 CHƢƠNG II PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU 31 TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc thủy điện 31 II.2 Hệ điều khiển vector biến tần động không đồng bộ ba pha 32 II.2.1 Mô tả động không đồng bộ ba pha dƣới dạng các đại lƣợng vec tơ không gian 32 II.2.2 Quy đổi các đại lƣợng điện của động không đồng bộ tƣ̀ hệ véc 34 tơ (a,b,c) về hệ tọa độ cố đị nh Stato (,) II.2.3 Quy đổi các đại lƣợng điện của động không đồng bộ ba pha tƣ̀ hệ tọa độ cố đị nh Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố đị nh Stator (,) 37 II.2.4 Quy đổi các đại lƣợng điện của động không đồng bộ ba pha tƣ̀ hệ tọa độ cố định Stator (,) về hệ tọa độ cố đị nh Rotor (d,q) II.2.5 Xây dƣ̣ng mô hì nh toán học cho động không đồng bộ II.2.6 Cơ sở để đị nh hƣớng tƣ̀ thông hệ tọa độ tƣ̣a theo tƣ̀ thông Rotor (d,q) II.3 Hệ thống Thyristor – động 39 43 45 48 II.3.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn đị nh và đƣờng đặc tí nh tĩ nh 50 II.3.2 Chất lƣợng động của hệ thống điều chỉ nh tốc độ hai mạch vòng kí n 52 II.3.3 Hạn chế điều khiển tốc độ quay bằng 56 II.3.4 Hệ thống điều chỉ nh tốc độ nhiều mạch vòng kí n có mạch vòng cài đặt suất biến đổi dòng điện CHƢƠNG III Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 66 http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN III.1 Xây dựng hàm truyền khâu hệ thống điều khiển 67 III.1.1 Hàm truyền động điện 67 III.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn THYRISTOR 72 III.1.3 Hàm truyền máy phát tốc 74 III.1.4 Hàm truyền thiết bị đo điện 74 III.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R 75 III.2 Mô hệ truyền động điều tốc sử dụng điều khiển PID III.2.1 Tính toán thông số hệ điều chỉnh vị trí động điện chiều kích từ độc lập III.2.2 Xây dựng sơ đồ mô hệ điều khiển điều tốc sử dụng điều khiển PID 82 82 85 CHƢƠNG IV ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ 90 TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN IV.1 Tính phi tuyến điều khiển vị trí 90 IV.2 Các 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 điều khiển PID 99 IV.3.3 Tổng hợp điều chỉnh vị trí dùng điều khiển mờ lai PD 101 IV.3.4 Kết mô điều khiển mờ lai song song PD 109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 113 http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 DANH MỤC CÁC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình vẽ Tên hì nh vẽ Trang Hình I.1 Sơ đồ khối máy phát nối lƣới độc lập Hình I.2 Đặc tính tần số lƣới máy phát Hình I.3 Sơ đồ khối điều tốc Hình I.4 Sơ đồ điều tốc có phản hồi công suất hay phản hồi vị trí cánh hƣớng Hình I.5 Đƣờng đặc tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát Hình I.6 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc 13 Hình I.7 Nguyên lý làm việc máy điều tốc 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 điều tốc 17 Hình I.10 Sơ đồ trình tự khởi động không tải điều tốc 19 Hình I.11 Sơ đồ thuật toán 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 điều tốc 23 Hình I.14 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thủy lực 24 Hình I.15 Sơ đồ Secvo điều chỉnh cánh hƣớng 25 Hình I.16 Sơ đồ cấu tạo van điện từ khiểu bypass 25 Hình II.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc thủy điện 31 Hình II.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn động không đồng 32 Hình II.3 Hình II.4 Hệ trục vector không gian(a,b,c) hệ tọa độ cố định 35 stator (,) Hệ tọa độ cố định stator (,) hệ toạ độ cố định 36 rotor(x,y) Hình II.5 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor hệ trục tọa độ cố định stator (,) hệ tọa độ cố định rotor (x,y) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Hình II.6 Biểu diễn vector dòng điện stator hệ tọa độ cố định stator (,) hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 39 Hình II.7 Sơ đồ cấu trúc chi tiết động không đồng 44 Hình II.8 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp động không đồng 45 Hình II.9 Hình II.10 Hình II.11 Hình II.12 Hình II.13 Hình II.14 Định hƣớng từ thông hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động KĐB thiết bị biến tần Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor – động Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Đƣờng đặc tĩnh tĩnh hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc độ shai mạch vòng kín 45 48 49 50 51 53 Đồ thị dòng điện tốc độ quay trình khởi động hệ Hình II.15 thống điều chỉnh tốc độ 53 a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tƣởng b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín Hình II.16 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 58 Ảnh hƣởng phản hồi âm vi phân tốc độ quay Hình II.17 trình khởi động 59 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng tốc độ quay có Hình II.18 cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay: 59 a Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu b Sơ đồ cấu trúc sau đơn giản hoá Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có Hình II.19 cài đặt suất biến đổi dòng điện ADR – điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 63 CD – khâu vi phân dòng điện Hình II.20 Hình II.21 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 63 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng suất biến đổi dòng điện 64 Hình III.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động 66 Hình III.2 Mạch điện thay động chiều 67 Hình III.3 Sơ đồ cấu trúc động chiều 69 Hình III.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá đặc tính tải 69 Hình III.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 70 Hình III.6 Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi 71 Hình III.7 Hình III.8 Hình III.9 Sơ đồ cấu trúc thu gọn: 71 a Theo tốc độ, b Theo dòng điện Thời gian phát xung thời gian điều khiển chỉnh lƣu Sơ đồ cấu trúc chỉnh lƣu bán dẫn thyristor a chuẩn xác, b gần 72 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 hệ điều khiển điều khiển PID 85 Hình III.16 Hình III.17 Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác 87 vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = A Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4,3 A Hình IV.1 Quan hệ giƣ̃a   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 điều khiển mờ lai kinh điển 98 Hình IV.7 Mô hình điều khiển mờ bù 98 Hình IV.8 Hình IV.9 Mô hình điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID Cấu trúc bên chỉnh định mờ 101 Hình IV.10 Định nghĩa biến vào điều khiển mờ lai PD Hình IV.11 Hình IV.12 Hình IV.13 Định nghĩa tập mờ cho biến ET điều khiển mờ lai PD Định nghĩa tập mờ cho biến DET điều khiển mờ lai PD Định nghĩa tập mờ cho biến U điều khiển mờ lai PD Hình IV.14 Xây dựng luật điều khiển cho điều khiển mờ lai PD Hình IV.15 Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào điều khiển mờ lai PD Hình IV.16 Quan hệ tín hiệu vào mờ lai PD Hình IV.17 Hình IV.18 Hình IV.19 100 103 104 104 105 105 106 107 Sơ đồ mô so sánh chất lƣợng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD 108 Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác 110 vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = A Các tín hịệu vị trí đầu tƣơng ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vàođặt = 10 V, I = 4.3 A Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 112 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 ... MÁY PHÁT ĐIỆN - ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN BÌNH ĐIỀN - THỪA THIÊN HUẾ I.1 Tổng quan điều tốc I.1.1 Tần số chất lƣợng điện I.1.2 Điều tốc ổn định tần số I.1.3 Phân loại loại điều tốc I.1.3.1 Trên... tính điều chỉnh tần số Turbine - máy phát Hình I.6 Hệ thống điều khiển có máy điều tốc 13 Hình I.7 Nguyên lý làm việc máy điều tốc khí 14 Hình I.8 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình. .. loại 9 I.1.4 Các thông số điều tốc 10 I.1.5 Giới thiệu số điều tốc 12 I.1.5.1 Điều tốc khí 12 I.1.5.2 Điều tốc điện 14 I.2 Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Bình Điền Số hóa Trung tâm Học liệu