Tự động điều khiển tần số và điện áp trong hệ thống điện

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THỊ XUÂN HOA TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành : Mạng Hệ thống điện Mã số ngành : 2.06.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2006 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Tiến só HỒ VĂN HIẾN Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2006 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Tp HCM, ngày tháng năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM THỊ XUÂN HOA Phái : Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 10 tháng 12 năm 1977 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Mạng hệ thống điện MSHV: 01804483 I-TÊN ĐỀ TÀI: Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 06 tháng 02 năm 2006 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 06 tháng 07 năm 2006 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến só Hồ Văn Hiến CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm 2006 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH Lời cảm ơn Qua trình học tập trường Đại học Bách khoa T.p Hồ Chí Minh, cuối em hoàn thành khóa học Qua em muốn tỏ lòng biết ơn tới Thầy Cô phòng Đào tạo Sau đại học phòng ban trường Đại học Bách khoa tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập em Đồng thời em cảm ơn Thầy Cô môn Hệ thống điện Thiết bị điện trường, đặc biệt em cảm ơn thầy Hồ Văn Hiến bảo tận tình nhiệt lòng yêu nghề mình, em xin cảm ơn Anh Chị lớp giúp đỡ em trình học tập Học viên thực Phạm Thị Xuân Hoa TÓM TẮT NỘI DUNG Như biết, thay đổi công suất tác dụng làm ảnh hưởng chủ yếu đến tần số, thay đổi công suất phản kháng làm ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp Tần số điện áp nhân tố quan trọng định chất lượng điện cung cấp, điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng sống còøn để thỏa mãn hiệu suất hệ thống điện Vì nội dung luận văn đưa phương pháp “tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện” Sự tương tác điều khiển tần số điện áp thường chủ yếu phân tích riêng rẽ: điều khiển công suất tác dụng liên kết chặt chẽ với điều khiển tần số, điều khiển công suất phản kháng liên kết chặt chẽ với điều khiển điện áp Khi công suất tác dụng phụ tải thay đổi liên tục, nguồn phát điều chỉnh tự động để phục hồi tần số trị số định mức gọi điều khiển tự động phụ tải- tần số Khi công suất phản kháng phụ tải thay đổi làm ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp Các nguồn công suất kháng máy phát, tụ điện, cuộn kháng Công suất kháng máy phát điều khiển kích từ, phương tiện chủ yếu điều khiển công suất máy phát điều khiển kích từ máy phát điều chỉnh tự động AVR Vai trò điều chỉnh tự động AVR để giữ điện áp đầu cực máy phát đồng trị số định gọi điều khiển tự động điện áp - công suất kháng Phương tiện để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển mô hình toán học cho hệ thống để dùng hàm truyền phương trình trạng thái Công cụ để khảo sát, thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng hàm chức Matlab Các đáp ứng công suất tác dụng minh họa cách sử dụng kỹ thuật mô Matlab Simulink SUMMARIZATION OF CONTENT As we have seen, a change in the real power demance affects essentially the frequency, whereas a change in the reactive power affects mainly the voltage magnitude As constancy of frequency and voltage are important factors in determining the quality of power supply, the control of active power and reactive power is vital to the satisfactory performance of power systems Thus, the content of dissertation has given method “automatic voltage and frequency controls in power system” The interaction between voltage and frequency controls is generally weak enough to justify their analysis separately: active power control is closely related to frequency control, and reactive power control is closely related to voltage control As the real power of load changes continuously, the generation is adjusted automatically to restore the frequency to the nominal value It is called automatic control load – frequency whereas a change in the reactive power affects mainly the voltage magnitude The sources of reactive power are generators, capacitors, and reactors The generator reactive powers are controlled by field excitation The primary means of generator reactive power control is the generator excitation control using automatic voltage regulator (AVR) The role of an (AVR) is to hold the terminal voltage magnitude of a synchronous The primary means of analysis and design of a control system is mathematical modeling of the system The two most common methods are the transfer function method and the state variable approach The Matlab control toolbox functions is used to control and design system Typical responses to real power demand are illustrated using the latest simulation technique available by the Matlab Simulink MUÏC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI- TẦN SỐ (LFC) 1.1 Giới thiệu chung điều khiển phụ tải- tần số 1.2 Mô hình điều khiển LFC 1.2.1 Mô hình máy phát 1.2.2 Moâ hình phụ tải .3 1.2.3 Mô hình động sơ cấp 1.2.4 Mô hình điều tốc 1.2.5 Moâ hình toàn mạch LFC 1.2.6 Mô hình mạch LFC hệ thống gồm nhiều đơn vị nguồn phát cấp cho tải CHƯƠNG 2: TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PHÁT (AGC) 31 2.1 AGC hệ thống vùng 31 2.2 AGC hệ thống nhiều vùng 47 2.2.1 Khảo sát thay đổi phụ tải vùng 49 2.2.2 Khảo sát thay đổi phụ tải vùng 50 Áp dụng vào đề tài 52 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH THIÊN ĐƯỜNG DÂY NỐI 89 3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển định thiên đường dây nối 89 3.2 Áp dụng vào đề tài 92 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP - CÔNG SUẤT KHÁNG 121 4.1 Giới thiệu chung phương pháp 121 4.2 Mô hình điều chỉnh 121 4.2.1 Mô hình khuếch đại 121 4.2.2 Moâ hình máy kích thích .122 4.2.3 Mô hình máy phát 122 4.2.4 Mô hình mạch cảm biến 122 4.2.5 Mô hình toàn maïch AVR 123 Trang:184 2) Giả sử phụ tải tăng thêm 10MW vùng (vùng N1) Xác định tần số xác lập Dùng sơ đồ khối Simulink cho hệ thống Kết mô phỏng: Δω1 Δω Hình 6-10 Độ lệch tần số xác lập Nhận xét: Khi phụ tải vùng đột ngột tăng lên 10MW độ lệch tần số xác lập Δω ss = Nghóa giữ tần số gần với định mức Kết giống hình 3-5 chương Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:185 6.3 Thiết kế điều khiển điện áp mô hình trạng thái 6.3.1 Thiết kế điều khiển AVR mô hình trạng thái Vref(S) Ve(S) - VS(S) KA 1+τ AS VR(S) Khuếch đại KE 1+τ ES VF(S) Máy kích thích KG 1+τGS Máy phát KR 1+τ RS Cảm biến Mô hình mạch AVR công thức mô tả sơ đồ khối biểu diễn hình là: (1 + τ A S ).VR = K AVref − K AVS (1 + τ E S ).VF = K E VR (1 + τ R S ).VS = K R VT (1 + τ G S ).VT = K G VF Rút đạo hàm bậc số hạng: SVR = SVF = SVS = SVT = KA τA KE τE KR τR KG τG Vref − VR − VT − VF − KA τA τE τR τG VS − τA VR VF VS VT Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Vt(S) Trang:186 thái: Biến đổi theo thời gian biểu diễn dạng ma trận công thức trạng ⎡ ⎢− τ ⎢ A ⎡VR ⎤ ⎢ K E ⎢V ⎥ ⎢ ⎢ F⎥ = ⎢ τE ⎢VS ⎥ ⎢ ⎢V ⎥ ⎢ ⎣ T⎦ ⎢ ⎢ ⎣ − − KG τG τA τE KA − τR ⎤ ⎥ ⎥ ⎡V ⎤ ⎡ K A ⎤ R ⎥⎢ ⎥ ⎢ τ A ⎥ ⎥ ⎥ ⎢VF ⎥ ⎢ + ⎢ ⎥Vref ⎥ K R ⎢VS ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ τ R ⎥ ⎢⎣VT ⎥⎦ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ 1⎥ − ⎥ τG ⎦ (6.28) VÍ DỤ Thiết kế điều khiển AVR mô hình trạng thái máy phát có thông số: Bộ khuếch đại Máy kích thích Máy phát Bộ cảm biến Độ lợi KA=10 KE=1 KG=1 KR=1 Hằng số thời gian τA=0.1 τE=0.4 τG=1.0 τR=0.05 Dùng sơ đồ khối Simulink để vẽ đáp ứng bước nhảy điện áp đầu cực Giải: Thay thông số hệ thống vào công thức (6.28), có: − 100 ⎤ ⎡− 10 ⎡100⎤ ⎢ 2.5 - 2.5 ⎥ ⎢ ⎥ 0⎥ ⎢ x = x + ⎢ ⎥u ⎢ ⎢ ⎥ - 20 20⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ - 1⎦ ⎣ ⎣ ⎦ Đầu có công thức là: y = [0 0 1]x = VT Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:187 Với u =Vref và: ⎡VR ⎤ ⎢V ⎥ F x =⎢ ⎥ ⎢VS ⎥ ⎢ ⎥ ⎣VT ⎦ Dùng sơ đồ khối Simulink mô phỏng: Kết mô phỏng: Hình 6-11 Đáp ứng bước nhảy điện áp đầu cực Nhận xét: Giá trị điện áp đầu cực xác lập Vtss = 0.909pu Thời gian đỉnh : 0.791 s Thời gian xác lập : 19.04s Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:188 Độ vọt lố: 82.46% Nếu hệ số khuếch đại KA lớn giảm sai số điện áp xác lập hệ thống ổn định Kết giống hình 4-4 chương 6.3.2 Thiết kế điều khiển AVR mô hình trạng thái có thêm ổn định hệ thống kích thích Mô hình mạch AVR có trang bị thêm mạch hồi tiếp để tăng độ ổn định tương đối hệ thống: Vref(S) Ve(S) VF' (S) - VS(S) KA 1+τ AS VR(S) KE 1+τ ES VF(S) KG 1+τGS KF S 1+τ FS Boä ổn định hồi tiếp KR 1+τ RS Mô hình mạch AVR có ổn định hồi tiếp Các công thức mô tả sơ đồ khối biểu diễn hình là: (1 + τ A S ).VR = K AVe (1 + τ E S ).VF = K E VR (1 + τ R S ).VS = K R VT (1 + τ F S ).V ' F = K F SVF (1 + τ G S ).VT = K G VF Ve = Vref − VS − VF' Rút đạo hàm bậc số hạng: Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Vt(S) Trang:189 SVR = SVF = SVS = SVT = SVF' = KA τA KE τE KR τR KG τG Vref − VR − VT − VF − KF KE τ Fτ E KA VS − τA τE τR τG VR − KA τA VF' − τA VR VF VS VT KF τ Fτ E VF − τF VF' Biến đổi theo thời gian biểu diễn dạng ma trận công thức trạng thái: ⎡ ⎢ −τ A ⎢ K  E ⎡VR ⎤ ⎢ ⎢V ⎥ ⎢ τ E ⎢ F⎥ ⎢ ⎢VS ⎥ = ⎢ ⎢ '⎥ ⎢ ⎢VF ⎥ ⎢ K E K F ⎢⎣VT ⎥⎦ ⎢ ⎢ τ Eτ F ⎢ ⎢ ⎣ − KF KA τA − τG τA τR τ Eτ F KA KG − τE − − − τF ⎤ ⎥ ⎥ ⎡KA ⎤ ⎥ ⎡VR ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ τ A ⎥⎥ V K R ⎥⎢ F ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢VS ⎥ + ⎢ V ⎥ ref τ R ⎥⎢ ' ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ VF ⎥ ⎢⎣VT ⎥⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎣ ⎦ 1⎥ − ⎥ τG ⎦ (6.29) VÍ DỤ 10 Thêm ổn định hồi tiếp vào hệ thống AVR ví dụ Hằng số thời gian ổn định τF=0.04s KF=2 Dùng sơ đồ khối Simulink để vẽ đáp ứng bước nhảy điện áp đầu cực Giải: Thay thông số hệ thống vào công thức (6.29), có: − 100 − 100 ⎤ ⎡− 10 ⎡100⎤ ⎢ − ⎥ ⎢ ⎥ 0 0⎥ ⎢ ⎢ ⎥ x = ⎢ 0 − 20 20 ⎥ x + ⎢ ⎥ u ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − 25 ⎥ ⎢ 125 − 125 ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎢⎣ ⎥⎦ 0 − 1⎥⎦ Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:190 Và đầu có công thức là: y = [0 0 1]x = VT Với u =Vref và: ⎡VR ⎤ ⎢ ⎥ ⎢VF ⎥ x = ⎢VS ⎥ ⎢ '⎥ ⎢VF ⎥ ⎢V ⎥ ⎣ T⎦ Dùng sơ đồ khối Simulink mô phỏng: Kết mô phỏng: Hình 6.12 Đáp ứng bước nhảy điện áp đầu cực Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:191 Nhận xét: Khi dùng khâu hồi tiếp ta thấy kết độ ổn định hệ thống tăng lên, giảm thời gian xác lập độ vọt lố sai số điện áp xác lập Kết giống hình 4-7 chương 6.4 Thiết kế điều khiển tần số điện áp mô hình trạng thái Kết hợp sơ đồ khối AGC hệ thống vùng với sơ đồ khối AVR ta sơ đồ khối cho điều khiển tần số điện áp: KI S R - ∑ ΔPL(S) ΔPv(S) ΔPg(S) - ΔPm(S) 1 1+τ gS 1+τT S 2HS + D ∑ - ΔΩ(s) S Δδ (s) ΔPe(S) ∑ + PS + K2 K5 K4 VR(S) Vref(S) Ve(S) Σ - VS(S) K K p + I + KDS S KA 1+τ AS KE 1+τ ES VF(S) - + Σ KG 1+τGS KR 1+τ RS Mô hình điều khiển LFC AVR Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện + E’(S) K6 + Σ Vt(S) Trang:192 ÁP DỤNG VÀO ĐỀ TÀI Xét hệ thống bao gồm kết hợp sơ đồ khối AGC AVR với thông số: Tua bin Bộ điều tốc Bộ khuếch đại Bộ kích từ Máy phát Cảm biến Hằng số quán tính Độ suy giảm tốc độ Hệ số độ nhạy phụ tải theo f Hằng số độ lợi KT=1 Kg=1 KA=10 KE=1 KG=0.8 KR=1 Hằng số thời gian (sec) τT=0.5 τg.=0.2 τA=0.1 τE=0.4 τG=1.4 τR=0.05 H=5.25pu R=0.05pu D=0.6 Phụ tải tăng lên 10 MW Tìm đáp ứng tần số đáp ứng điện áp đầu cực Giải: Phụ tải tăng thêm 10 MW Dùng sơ đồ khối Simulink để mô đáp ứng tần số đáp ứng điện áp đầu cực: Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:193 Kết mô phỏng: Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:194 Hình 6.13 Đáp ứng bước nhảy tần số Nhận xét: Từ đáp ứng tần số, thu độ lệch tần số xác lập phụ tải thay đổi 10 MW Δω ss = sau khoảng 15 giây Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:195 Hình 6.14 Đáp ứng bước nhảy điện áp đầu cực Nhận xét: Từ đáp ứng điện áp đầu cực, thu giá trị xác lập điện áp đầu cực phụ tải thay đổi 10 MW Vt = 1pu sau khoảng 10 giây, sai số điện áp xác lập Vess = Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:196 Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 7.1 Kết thực Luận văn trình bày phương pháp tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống có vùng phương pháp : Phương pháp cổ điển dùng từ trước đến dựa phương pháp quỹ đạo điểm cực mà dùng hồi tiếp đầu thiết bị với điều khiển động lực Phương pháp đại dựa mô hình trạng thái đối tượng 7.2 Hướng phát triển đề tài Từ mô hình điều khiển tần số điện áp hệ thống có vùng Chúng ta phát triển để áp dụng hệ thống có vùng Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:197 TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CÔNG VIỆC TUẦN 1-3 4-6 7-8 9-11 12-14 15-17 Chương Chương Chương Chương Chương Chương Chương Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO Power system stability and - Kunder Power system analysis - Hadi Sadat Matlab & Simulink - Nguyễn Phùng Quang L.K Kirchmayer, Economic Control of Interconnected Systems, John Wiley & Sons, 1959 D.N Ewart, “ Automatic Generation Control – Performance under Normal Conditions, “ Systems Engineering for Power: Status and Prospects, CONF 750867, U.S Energy Research and Development Administration, Henniker, N.H.,August 17-22, 1975 O.I Elgerd, Electric Energy Systems Theory: An Introduction, McGraw- Hill, 1971 ... suất hệ thống điện Vì nội dung luận văn đưa phương pháp ? ?tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện? ?? Sự tương tác điều khiển tần số điện áp thường chủ yếu phân tích riêng rẽ: điều khiển. .. chung phương pháp 136 5.2 Điều khiển tần số điện áp hệ thống vùng 138 5.3 Điều khiển tần số điện áp hệ thống vùng 143 Áp dụng vào đề tài 146 CHƯƠNG 6: ĐIỀU KHIỂN LFC BẰNG... thay đổi công suất phụ tải Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:28 Dùng sơ đồ khối Simulink để mô phỏng: Tự động điều khiển tần số điện áp hệ thống điện Trang:29 ΔPm ΔPm1 Hình