Nghiên cứu hệ điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ THỊ ÁNH NGỌC NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT THUỶ ĐIỆN NHỎ Chuyên ngành: Thiết bị mạng nhà máy điện Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phản biện 1: PGS.TS Trần Bách Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Như Hiển Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN Ngày 24 tháng 09 năm 2010 Có thể tìm luận văn THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐHKTCN- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TRUNG TÂM HỌC LIỆU – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nghiên cứu em tự thiết kế hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, sai em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 10 tháng 09 năm 2010 Người cam đoan Vũ Thị Ánh Ngọc Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh thầy giáo Vũ Hoàng Phương hướng dẫn cho em ý kiến quý báu ln theo sát bước đi, ln khích lệ động viên … trình học tập nghiên cứu em Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm công nghệ cao Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi mặt cho việc học tập nghiên cứu trường Xin chân thành cảm ơn tới Ban chủ nhiệm, toàn thể thầy cô giáo cán khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp đỡ nhiều mặt thời gian làm nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn khoa Đào tạo bồi dưỡng sau đại học; Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ nhiều Xin bày tỏ lòng biết ơn tới bạn bè đồng nghiệp – người thân đóng góp ý kiến q báu cho tơi ln mong đợi hồn thành công việc nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh thầy giáo Vũ Hoàng Phương trường ĐHBKHN hướng dẫn cho em ý kiến quý báu theo sát bước đi, ln khích lệ động viên trình học tập nghiên cứu em Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm công nghệ cao Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi mặt cho việc học tập nghiên cứu trường Xin chân thành cảm ơn tới Ban chủ nhiệm, tồn thể thầy giáo cán khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp đỡ nhiều mặt thời gian làm nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn khoa Đào tạo bồi dưỡng sau đại học;Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ tơi nhiều Xin bày tỏ lịng biết ơn tới bạn bè đồng nghiệp – người thân đóng góp ý kiến q báu cho tơi ln mong đợi hồn thành cơng việc nghiên cứu tơi Xin trân trọng cảm ơn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục MỤC LỤC Nội dung TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC BẢN VẼ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1.Tổng quan nhà máy thủy điện nhỏ a.Tình hình phát triển thủy điện b Sơ đồ nhà máy thủy điện c Phân loại nhà máy thủy điện d Nguyên lý phát điện nhà máy thủy điện e Tự động hóa nhà máy thủy điện 1.2.Điều tốc turbine thủy điện nhỏ a Cấu tạo chung thiết bị điều tốc b Các chức điều tốc c Điều chỉnh mômen trục turbine 1.3 Máy phát điện 1.3 1.Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng 1.3.2 Phƣơng trình điện áp đồ thị véc tơ máy phát điện đồng 1.3.3 Các đặc tính điều chỉnh máy phát đồng 1.3.4 Các đặc tính điều chỉnh máy điện đồng a Đặc tính khơng tải máy phát điện đồng b Đặc tính ngồi 1 10 10 12 13 14 14 16 16 21 21 22 c Đặc tính điều chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục d Đặc tính tải 24 e Đặc tính ngắn mạch tỷ số ngắn mạch K 26 1.4 Kết luận chƣơng 26 CHƢƠNG 2: MƠ TẢ TỐN HỌC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN NHỎ 2.1.Mơ tả tốn học máy phát đồng xoay chiều ba pha 28 2.1.1.Các phƣơng trình điện áp viết hệ tọa độ pha abc 28 2.1.2 Các phƣơng trình điện áp viết hệ tọa độ pha dq 30 2.1.3.Mơ hình mạch thay tƣơng đƣơng 37 2.2.Mơ hình tốn máy phát thủy điện nhỏ 39 a Mơ hình tốn hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát 39 b Phân tích hệ thống điều chỉnh cơng suất điện áp máy phát 39 thủy đện c Mơ hình điều tốc hoạt động gián tiếp có van tiết lƣu 39 d Phƣơng trình cân chuyển động hệ thống 40 e Phƣơng trình tải trạm điện 40 2.3 Mô hình tốn hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát 41 2.4.Phân tích hệ thống điều chỉnh công suất điện áp mát phát 42 thuỷ điện 2.4.1.Điều chỉnh công suất tác dụng P 42 2.4.2 Điều chỉnh công suất phản kháng Q 46 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ 3.1 Mơ hình điều khiển phát điện tự động (AGC) 49 3.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển kích từ 51 3.2.1 Một số hệ điều khiển kích từ kinh điển 53 a Hệ thống kích từ chiều:(DC Exciter) 53 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục b Hệ thống kích từ xoay chiều (AC Exciter) 55 c Hệ thống kích từ tĩnh: (Statc Exciter) 56 3.2.2 Thiết kế điều chỉnh điện áp tự động AVR 58 a Thuyết minh sơ đồ khối AVR 60 b Thiết kế khối điều khiển (Controler) 61 c Thiết kế khối chuyển đổi tính tốn (Caculate) 66 d Thiết kế khối giới hạn (Limiter) 68 e Thiết kế đặt điện áp (Setpoin) 73 3.3.Xây dựng hệ thống ổn định công suất PSS 76 3.4 Kết luận chƣơng 3……………………………… 80 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KÍCH TỪ 4.1.Giới thiệu phần mềm mơ 81 4.1.1 Mục đích mơ 81 4.1.2 Các tham số máy phát 82 4.2.Các thành phần hệ thống mô 83 4.3 Kết mô hệ thống 86 4.3.1 Mô máy phát làm việc với phụ tải độc lập……………… 86 4.3.2 Mô máy phát hòa vào lƣới điện hệ thống 91 4.3.2.1 Mơ hình mơ 91 4.3.2.2.Đáp ứng hệ thống hoà lƣới 92 4.4 Kết luận chƣơng 4………………………………………………… 103 Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương bốn 95 Hình 4.18: Dịng điện kích từ máy phát ko có PSS Hình 4.19: Dịng điện kích từ máy phát có PSS với đầu vào  Hình 4.20: Dịng điện kích từ máy phát có PSS với đầu vào P Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương bốn 96 Hình 4.21: Điện áp kích từ máy phát ko có PSS Hình 4.22: Điện áp kích từ máy phát có PSS với đầu vào  Hình 4.23: Điện áp kích từ máy phát có PSS với đầu vào P Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương bốn 97 Hình 4.24: Góc tải I(p,u) ko có PSS Hình 4.25: Góc tải I(p,u) có PSS với đầu vào  Hình 4.26: Góc tải I(p,u) có PSS với đầu vào P Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương bốn 98 Hình 4.27: Điện áp UPSS khơng có PSS Hình 4.28: Điện áp UPSS có PSS với đầu vào  Hình 4.29: Điện áp UPSS có PSS với đầu vào P Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 99 Chương bốn Hình 4.30: Dịng điện stato máy phát (pu)khi khơng có PSS Hình 4.31: Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi khơng có PSS Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 100 Chương bốn Hình 4.32: Tốc độ máy phát/tần số (pu)khi khơng có PSS Hình 4.33 : Dịng điện stato máy phát (pu)khi có PSS đầu vào Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 101 Chương bốn Hình 4.34 : Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi có PSS đầu vào Hình 4.35: Tốc độ máy phát/tần số (pu)khi có PSS đầu vào Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 102 Chương bốn Hình 4.36: Dịng điện stato máy phát (pu) có PSS với đầu vào P Hình 4.37 : Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi có PSS với đầu vào P Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương bốn 103 Xét trường hợp phụ tải cảm trở kháng thời điểm 10s đóng phụ tải (200MW-100MVar) Khi đóng tải điện áp máy phát giảm xuống cịn 0,972 P.u Khi để nâng điện áp lên đến giá trị định mức ta cần phải tăng điện áp kích từ lên Khi dịng điện kích từ tăng lên để tương ứng với phụ tải Để tiến hành mơ q trình chuyển chế độ họat động ta cho máy phát hòa đồng với lưới theo phương pháp tự hòa đồng chế độ hoạt động AVR tiến hành đóng phụ tải vào lưới điện đạt đến trạng thái làm việc ổn định ta chuyển sang chế độ MVR thời điểm 10s Q trình mơ tiến hành thông qua bước: Đầu tiên cho máy phát tự hịa đồng với lưới, sau tiến hành tăng tải thời điểm 10s Khi góc tải điều chỉnh gần khơng đổi góc 20deg, Mơ men điện từ điều chỉnh từ 0,778 pu lên 0,825pu 4.4 Kết luận chương Như sau thiết kế xong chương III Để kiểm chứng tính đắn thiết kế chương ta tiến hành mô hệ thống cách ghép nối điều chỉnh tự động AVR với máy phát Tiến hành mô để kiểm tra hoạt động khối chức bản, cụ thể mô với phụ tải độc lập để kiểm tra tính ổn định hệ thống Các mơ làm việc với lưới công suất vô lớn để xem xét ảnh hưởng phụ tải, kiểm tra hoạt động khối điều chỉnh công suất phản kháng để phân phối phụ tải phản kháng tổ máy, tiến hành thay đổi điện áp đặt để điều chỉnh điện áp máy phát Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 104 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương bốn http://www.lrc-tnu.edu.vn Kết luận kiến nghị KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ Trong thời gian thực đề tài “ Nghiên cứu hệ điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ” em làm việc việc sau đây: - Tìm hiểu máy phát điện đồng bộ, tìm hiểu hệ thống kích từ, hệ thống ổn định cơng suất PSS từ chọn phương án thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cho hệ thống kích từ tĩnh - Tiến hành mơ tả tốn học mơ hình hóa kích từ - máy phát điện đồng hệ tọa độ tương đối để phục vụ cho q trình mơ - Tiến hành xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát đảm bảo tính ổn định làm việc với giới hạn thiếu kích thích, kích thích, giới hạn tần số điện áp giải vấn đề phân phối công suất phản kháng tổ máy, - Tiến hành xây dựng mơ hình mơ để kiểm tra tính mơ hình thiết kế hệ thống điều kiện làm việc tiêu biểu Tuy nhiên luận văn dừng việc khảo sát mơ hình mơ xây dựng từ thư viện chuẩn hóa Matlab Simulink Kết mô ổn định giải yêu cầu nêu phần đặt vấn đề Do thời gian làm luận văn có hạn nên luận văn em tránh khỏi thiếu sót có nhiều hạn chế, em mong góp ý thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 09 năm 2010 Học viên Vũ T.Ánh Ngọc Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Bính (2000), Điện tử cơng suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh (2009), Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng T1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [3] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà,Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy điện – Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2003 [4] Thái Duy Thức (2005), Giáo trình Điện tử cơng suất dành cho học viên cao học ngành điện – tự động hóa, Trường ĐH Mỏ địa chất, Hà nội [5] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học & kỹ thuật [6] Viện Qui hoạch Quản lý nước, Chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trạm thủy điện nhỏ có cơng suất từ 200 kw đến 5.000 kw Việt Nam, Đề tài NCKH 10-02-02-02 [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2006), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [8] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2005), Tự động điều chỉnh truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [9] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2005), Truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [10] Phạm Công Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo [11] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [12] Nguyễn Tiến Ban- Luận án tiến sĩ kỹ thuật 2004 [13] Giáo trình mơn học Thuỷ điện 1,2 [16] [14] Electric Energy and Electric Generators [19] [15] Máy phát đồng [20] [16] Máy điện HT điện [21] [17] John G.Kassakian, Martin F Schkecht, George C Verghese (1999), Principles of Power Electronic, Addison-Wesley- United States of America [18] Laszlo Gyugyi & Narain G.Hurgorani (1999), Understanding FACTS, IEEE, London [19] T.J.E.Miller & Charkes Concordia (1992), Reactive Power Control in Electric System, Addison- Wesley- United States of America [20] UNIDO – SHP Hangzhou Regional Centre (Asia-Pacific) for Small Hydro Power (1998), The General Technical Standard for World Ranging SHP Development Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... có hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát đồng Trước kết thúc khóa học em giao đề tài luận văn là: “ Nghiên cứu hệ điều khiển kích từ cho máy phát thủy điện nhỏ? ?? Hệ thống điều khiển kích từ máy. .. DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ 3.1 Mơ hình điều khiển phát điện tự động (AGC) 49 3.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển kích từ 51 3.2.1 Một số hệ điều khiển kích từ kinh điển 53 a Hệ. .. điện kích từ máy phát có PSS với đầu vào P 95 Hình 4.21: Điện áp kích từ máy phát ko có PSS 96 Hình 4.22: Điện áp kích từ máy phát có PSS với đầu vào  96 Hình 4.23: Điện áp kích từ