Máy phát điện đồng bộ và khảo sát các chế độ làm việc của máy phát điện đồng bộ trên phần mềm matlab

1 LỜI NÓI ĐẦU Ngành Công nghệp điện đóng vai trò quan trọng trình công nghiệp hóa – đại hóa đất nước ta nay, định tăng trưởng phát triển ngành công nghiệp khác Với xu phát triển chung giới xu phát triển đất nước ta ngày có nhiều khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện, trường học,… thành lập xây dựng Vì việc sản xuất, cung cấp phân phát điện đặt lên hàng đầu Điện công nghiệp ngành kỹ thuật ứng dụng tượng điện từ để biến đổi lượng, đo lường, điều khiển,… bao gồm việc tạo ra, biến đổi sử dụng điện hoạt động thực tế người Cho đến ngày máy điện biết đến thiết bị điện từ thực biến đổi thành điện ngược lại Như máy điện phần tử quan trọng thiết bị điện Nó sử dụng rộng rãi công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,… dụng cụ sinh hoạt gia đình Xuất phát từ tầm quan trọng trên, cho phép Nhà trường khoa Điện – Điện tử em định chọn đề tài “Máy phát điện đồng khảo sát chế độ làm việc máy phát điện đồng phần mềm Matlab” làm chuyên đề tốt nghiệp Trong trình thực chuyên đề với đề tài “ Máy phát điện đồng khảo sát chế độ làm việc máy phát điện đồng phần mềm Matlab” em chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Mai Văn Công tận tình hướng dẫn, bảo để em hoàn thành chuyên đề tốt nghiệp Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Điện – Điện tử bạn lớp 53.DDT giảng dạy, hổ trợ, tận tình bảo, cung cấp cho em kiến thức suốt trình học tập trường Đại học Nha Trang Với thời gian có hạn kiến thức hạn hẹp nên tất yếu không tránh khỏi sai sót, mong góp ý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT CHUYÊN ĐỀ Đề tài: MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRÊN PHẦN MỀM MATLAB Đề tài gồm phần chính: Chương I: - GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Khái niệm chung công dụng Cấu tạo Phân loại Các đặc tính máy phát điện đồng Chương II: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Nguyên tắc hoạt động Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng Sự làm việc song song máy phát điện đồng Các thông số chủ yếu máy phát điện đồng Chương III: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATLAB - Giới thiệu phần mềm Matlab - Giới thiệu số lệnh - Các giao diện cách thức làm việc - Chương IV: KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC - Giới thiệu thư viện Simulink Matlab Khảo sát chế độ làm việc bình thường máy phát Khảo sát chế độ làm việc ngắn mạch đầu cực máy phát MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CÔNG DỤNG 1.1.1 Khái niệm Máy phát điện xoay chiều có tốc độ rôto n tốc độ quay từ trường n1 gọi máy phát điện đồng Máy phát điện đồng có hai dây quấn: dây quấn stato nối với lưới điện có tần số f không đổi, dây quấn rôto kích thích dòng điện chiều Ở chế độ xác lập máy điện đồng có tốc độ quay rôto không đổi tải thay đổi 1.1.2 Công dụng Máy phát điện đồng nguồn điện lưới điện quốc gia, động sơ cấp tuabin hơi, tuabin khí tuabin nước Công suất máy phát đạt đến 600 MVA lớn chúng thường làm việc song song Ở lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện đồng kéo động diezen tuabin khí, làm việc đơn lẻ hai ba máy làm việc song song Trong hệ thống điện, máy bù đồng dùng để phát công suất phản kháng cho lưới điện để bù hệ số công suất ổn định điện áp 1.2 CẤU TẠO Cấu tạo gồm phận stato rôto Ngoài có vỏ máy, trục máy, nắp máy Trên hình 1-1 vẽ mặt cắt ngag trục máy 1: thép stato; 2: dây quấn stato; 3: thép rôto; 4: dây quấn rôto Hình 1-1: Mặt cắt ngang trục máy 1.2.1 Stator Stato máy phát điện đồng giống stato máy phát điện không đồng bộ, gồm hai phận lõi thép dây quấn ba pha stato Dây quấn stato gọi dây quấn phần ứng 1.2.2 Rôto Rôto máy phát điện đồng có cực từ dây quấn kích từ dùng để tạo từ trường cho máy, máy nhỏ rôto nam châm vĩnh cửu Có hai loại: rôto cực ẩn rôto cực lồi Hình 1-2a: Rôto cực ẩn Hình 1-2b: Rôto cực lồi Rôto cực lồi dùng máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực Rôto cực ẩn thường dùng máy có tốc độ cao 3000 vg/ph, có đôi cực Để có sức điện động sin, từ trường cực từ rôto phải phân bố hình sin dọc theo khe hở không khí stato rôto, đỉnh cực từ có từ cảm cực đại Đối với rôto cực ẩn, dây quấn kích từ đặt rãnh Đối với rôto cực lồi dây quấn kích từ quấn xung quanh thân cực từ Hai đầu dây quấn kích từ luồn trục nối với hai vòng trượt đặt hai đầu trung, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ (Hình 1-3) Hình 1-3: Hai chổi điện nối kích từ 1.3 PHÂN LOẠI Theo kết cấu cực từ: • Máy phát điện đồng cực ẩn thích hợp với tốc độ quay cao (số cực • 2P = 2) Máy phát điện đồng cực lồi thích hợp với tốc độ quay thấp (2P 4) Theo chức năng: • Máy phát tuabin nước Hình 1-4: Máy phát tuabin nước • Máy phát động đốt công suất nhỏ Hình 1-5: Máy phát công suất nhỏ 1.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Khi vận hành bình thường máy phát đồng cung cấp cho tải đối xứng Chế độ phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện nói với máy phát, công suất cung cấp cho tải không vượt giá trị định mức mà phải gần định mức Mặt khác chế độ thông qua đại lượng điện áp, dòng điện, dòng kích từ, hệ số cos, tần số f, tốc độ quay n Để phân tích đặc tính làm việc máy phát điện đồng ta dựa vào đại lượng chủ yếu là: U, I, If thành lập đường đặc tính sau: 1.4.1 Đặc tính không tải Đặc tính không tải quan hệ: E = U0 = f(it), I = f = fđm Dạng đặc tính không tải máy phát điện đồng cực ẩn cực lồi khác không nhiều biểu thị theo đơn vị tương đối: E* = i* = Trong itđmo dòng điện không tải U = Uđm Mạch từ máy phát tuabin bão hòa mạch từ máy phát tuabin nước Khi E = Eđm = 1, với máy phát tabin =1,2 máy phát điện tuabin nước 10 E * a b ,0 2, , i t * Hình 1-6: Đặc tính không tải máy phát đồng Đường a: Với máy phát tuabin Đường b: Với máy phát tuabin nước 1.4.2 Đặc tính ngắn mạch Đặc tính ngắn mạch quan hệ dòng ngắn mạch dòng kích từ In = f(it) U = 0, Zt = 0, f = fđm Xét trường hợp bỏ qua điện trở dây quấn phần ứng (r = 0) mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch cảm 0, Iq =cos = Id =I sin = I Đồ thị véctơ máy phát lúc ngắn mạch dựa vào phương trình cân điện áp: = dXd - jdXd - rư Vì rư = 0; Iq = nên: Ta được: = jXd Lúc ngắn mạch, phản ứng phần ứng khử từ, mạch từ máy không bão hòa Vì từ thông khe hở cần thiết để sinh ra: = E-IX ưd = Iư nhỏ nên quan hệ I = f(it) đường thẳng 42 Hộp thoại thông số: Hình 4-8: Hộp thoại đo điện áp 4.1.9 Hydraulic Turbine and Governor (HTG) • • • • • • • wref: Vận tốc đặt Pref: Công suất đặt we: Vận tốc thực Pe: Công suất thực dw: Độ lệch tần số Pm: Công suất gate: Cổng đóng mở van Chức năng: Thực mô tuabin nước điều tốc Thư viện: SimpowerSystems/Machines Mô tả: Khối HTG cấu tạo bở mô hình turbine nước phi tuyến, hệ thống ổn định PID, động điều khiển 43 Hình 4-9: Cấu tạo khối HTG Turbine nước cấu tạo bở hệ thống phi tuyến Hình 4-10: Cấu tạo Turbine nước Cổng động điều khiển mô hình hệ thống thứ cấp Hình 4-11: Cổng động điều khiển 44 Hộp thoại thông số: Hình 4-12: Hộp thoại HTG Động điều khiển (Servo-motor): Hệ số khuếch đại Ka thời Ta hệ thống thứ đại diện cho động điều khiển (tính giây) Cổng mở giới hạn (gate opening limits): Giới hạn gmin and gmax (p.u) đặt lên cổng mở vgmin vgmax đặt lên cổng vận tốc Độ lệch cố định máy điều chỉnh (permanent droop and regulator): Hệ số tĩnh ổn định cân với hệ số 1/R vòng hồi tiếp Máy điều chỉnh PID có hệ số cân Kp, hệ số tích phân Ki, hệ số vi phân Kd Hệ số tần số cao PID giới hạn lọc chậm với thời Td (s) Turbine nước (Hydraulic turbine): Độ lệch vận tốc làm hoãn xung với hệ số thời gian khởi động nước Tw (s) 45 So sánh độ lệch (Droop reference): Ngỏ vào đặc biệt vòng hồi tiếp: vị trí cổng (ở mức 1) độ lệch công suất điện (ở mức 0) Công suất đầu: Công suất đầu Pmo (pu) trục máy Giá trị tính toán dòng tải cung cấp khối Powergui 4.1.10 Hệ thống kích từ Matlab Cung cấp hệ thống kích từ cho máy điện đồng điều chỉnh đầu máy phát • • • • • vref: Điện áp đặt đầu stator vd: Thành phần điện áp vd vq: Thành phần điện áp vq vstab: Điện áp ổn định cung cấp từ ổn định hệ thống điện vf: Ngỏ điện áp kích từ đưa đến ngõ vào máy điện đồng Chức năng: Thực mô hệ thống kích từ Thư viện: SimpowerSystems/Machines Mô tả: Khối kích từ simulink cung cấp nguồn kích từ chiều Yếu tố khối kích từ điện áp xác kích từ 46 Hình 4-13: Sơ đồ khối mô thành phần kích từ Hệ thống kích từ cấu tạo hàm truyền đạt điện áp kích từ V df ngõ ef: = 47 Hộp thoại tham số: Hình 4-14: Hộp thoại hệ thống kích từ • Hằng số thời gian lọc thấp (low-pass filter constant): Thời Tr hệ thống mà mô tả chuyển đổi điệp áp đầu • stator Bộ ổn định (regulator): Hệ số Ka thời Ta mô tả ổn định Hệ số Ke thời Te mô tả hệ thống • kích từ Hệ số suy giảm tạm thời thời (Transient gain reduction • time constant): Thời Tb Tc mô tả bù trể Bộ lọc (Damping filter): Hệ số Kf thời Tf mô tả vòng hồi tiếp 48 • Bộ ổn định giới hạn ngõ (Regulator output limits): Giới hạn Efmin Efmax đặt ngõ điều chỉnh điện áp Giới hạn số Efmax thay đổi thời gian chỉnh lưu điện áp đầu máy phát Vtf theo tỉ lệ hệ số Kp Nếu Kp đặt xác lập chế độ ban đầu Nếu Kp đặt giá trị dương xác lập chế độ trể Điều kiện đầu (initial conditions): Giá trị đặt điện áp ngõ ban đầu Vto khoảng điện áp Vfo Khi đặt simulation hoạt động chế độ xác lập Thông thường điện áp ngõ đặt giá trị Khoảng điện áp tính từ khối Powergui 4.1.11 Ground (Nối đất) Chức năng: Cung cấp liên kết đến đất Thư viện: SimpowerSystems/Elements Mô tả: Khối Ground thực liên kết đến đất Để dễ dàng vẽ sơ đồ thực mô phỏng, simulink cung cấp dạng khối Ground bao gồm: • Ground (input): Khối với ngõ vào • Ground (output): Khối với ngõ Hộp thoại: Hình 4-15: Hộp thoại nối đất 49 4.2 KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Xét sơ đồ đơn giản sau: Hình 4-16: Sơ đồ hệ thống điện cần mô 4.2.1 Khảo sát chế độ vận hành bình thường máy phát 4.2.1.1 Sơ đồ mô Hình 4-17: Sơ đồ mô máy phát vận hành chế độ bình thường 4.2.1.2 Các kết mô  Tốc độ quay tuabin: 50 Hình 4-18: Kết mô tốc độ quay tuabin (Rôto)  Điện áp kích từ: Hình 4-19: Kết mô điện áp kích từ 51  Dòng stator: Hình 4-20: Kết mô dòng stator  Điện áp pha A máy phát: Hình 4-21: Kết mô điện áp pha A máy phát 52 4.2.2 Khảo sát chế độ cố ngắn mạch đầu cực máy phát 4.2.2.1 Sơ đồ mô Hình 4-22: Sơ đồ mô cố ngắn mạch đầu cực máy phát 4.2.2.2 Các kết mô  Tốc độ quay tuabin: Hình 4-23: Kết mô tốc độ quay tuabin (Rôto) 53  Điện áp kích từ: Hình 4-24: Kết mô điện áp kích từ  Dòng staror: Hình 4-25: Kết mô dòng stator 54  Điện áp pha A máy phát: Hình 4-26: Kết mô điện áp pha A máy phát KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 55 Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu hướng dẫn tận tình thầy Mai Văn Công, quý thầy cô khoa Điện – Điện tử bạn lớp 53.DDT em hoàn thành chuyên đề tốt nghiệp thời hạn với kết sau: - Biết tầm quan trọng máy phát điện đồng trình phát triển đất nước ta - Hiểu rõ máy phát điện đồng - Hiểu rõ phần mềm MATLAB - Sử dụng phần mềm MATLAB để mô chế độ làm việc máy phát điện đồng Trong trình thực chuyên đề thời gian hạn hẹp kiến thức hạn chế nên chắn nhiều thiếu sót, em mong quý thầy cô bạn góp ý, hướng dẫn thêm để em rút kinh nghiệm KIẾN NGHỊ Do chương trình dạy học học phần phần mềm MATLAB nên khó để chúng em hiểu rõ phần mềm khó để mô chế độ làm việc máy phát điện đồng phần mềm nên em mong Trường Khoa Điện – Điện tử đưa thêm học phần phần mềm MATLAB vào chương trình đào tạo 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Văn Đào – Trần Khánh Hà – Nguyễn Hồng Thanh (2003), Máy điện, Nhà xuất Giáo dục [2] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] Nguyễn Thị Ngọc Soạn (4/2011) Bài giảng Máy điện khí cụ điện, Đại học Nha Trang [4] Vũ Quốc Tuấn (2015), Bài giảng Matlab ứng dụng, Đại học Nha Trang [5] http://monhoc.vn/tai-lieu/giao-trinh-matlab-simulink-779/ (23/5/2015) [6] http://doc.edu.vn/tai-lieu/luan-an-khao-sat-cac-che-do-van-hanh-cuamay-phat-dien-trong-he-thong-dien-48992/ (2/6/2015) ... ĐỀ Đề tài: MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRÊN PHẦN MỀM MATLAB Đề tài gồm phần chính: Chương I: - GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Khái niệm... loại Các đặc tính máy phát điện đồng Chương II: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ Nguyên tắc hoạt động Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng Sự làm việc song song máy phát điện đồng Các. .. Simulink Matlab Khảo sát chế độ làm việc bình thường máy phát Khảo sát chế độ làm việc ngắn mạch đầu cực máy phát MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 KHÁI