Nghiên cứu xác định các tham số điều khiển hợp lý cho nhà máy thuỷ điện thác xăng 20mw lạng sơn, để đảm bảo chất lượng điện áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH CÁC THAM SỐ ðIỀU KHIỂN HỢP LÝ CHO NHÀ MÁY THỦY ðIỆN THÁC XĂNG 20MW – LẠNG SƠN, ðỂ ðẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ðIỆN ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH CÁC THAM SỐ ðIỀU KHIỂN HỢP LÝ CHO NHÀ MÁY THỦY ðIỆN THÁC XĂNG 20MW – LẠNG SƠN, ðỂ ðẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ðIỆN ÁP Chun ngành: Tự động hóa Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Thái Duy Thức HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Nội dung luận văn hồn tồn phù hợp với tên đề tài ñăng ký phê duyệt Các số liệu kết nêu luận văn trung thực, chưa ñược cơng bố cơng trình khác Tác giả Hà Văn Thủy MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ðẦU 10 Chương 1: NGHIÊN CỨU TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN THỦY ðIỆN TRÊN THẾ GIỚI, VIỆT NAM VÀ TỈNH LẠNG SƠN 12 1.1 Sự phát triển ngành thủy ñiện giới 12 1.1.1 Sự phát triển ngành thủy ñiện 12 1.1.2 Các Quốc gia có cơng suất thủy điện lớn giới 14 1.2 Tình hình phát triển ngành thủy ñiện Việt Nam 14 1.2.1 Khái quát chung 14 1.2.2 ðặc điểm địa hình, khí tượng thuỷ văn 15 1.2.3 Tiềm thuỷ ñiện Việt Nam 16 1.2.3.1 ðặc ñiểm 16 1.2.3.2 Tiềm kinh tế – kỹ thuật 16 1.2.4 Quá trình phát triển thủy điện nước ta cơng trình thủy ñiện ñầu tư xây dựng giai ñoạn từ 2007 ñến 2010 17 1.2.5 Vai trị thủy điện phát triển kinh tế Việt Nam 21 1.3 Tình hình phát triển ngành thủy ñiện Lạng Sơn 21 1.4 Những xu hướng phát triển tương lai 22 Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY THỦY ðIỆN 23 2.1 Tổng quan nhà máy 23 2.1.1 Khái quát dự án 23 2.1.2 Nhiệm vụ cơng trình 25 2.1.3 Hình thức quản lý 25 2.1.4 Quy mơ cơng trình tiêu chuẩn thiết kế 25 2.1.4.1 Quy mơ cơng trình 25 2.1.4.2 Các tiêu chuẩn thiết kế 26 2.2 Thiết bị khí thủy lực 26 2.2.1 Thiết bị khí thuỷ lực 26 2.2.2 Tuốc bin thuỷ lực 26 2.2.3 Máy phát thuỷ lực 27 2.2.4 Máy ñiều tốc 28 2.2.5 Các hệ thống thiết bị phụ 29 2.2.6 Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật 29 2.2.7 Hệ thống tiêu thoát nước 30 2.2.8 Hệ thống dầu 30 2.2.9 Hệ thống khí nén 31 2.2.10 Hệ thống phòng chống cháy 31 2.2.11 Hệ thống thơng gió điều hồ nhiệt ñộ 32 2.2.12 Hệ thống ño lường thuỷ lực 32 2.2.13 Hệ thống cấp nước tiêu nước sinh hoạt 32 2.3 Thiết bị khí thủy cơng 34 2.3.1 Tràn xả lũ 34 2.3.2 Cống dẫn dòng 35 2.3.3 Cửa nhận nước 35 2.3.4 ðường ống áp lực 36 2.3.5 Thiết bị khí nhà máy thủy điện 37 2.4 Thiết bị ñiện ñấu nối vào hệ thống 40 2.4.1 Phương án ñấu nối thủy ñiện Thác Xăng vào lưới 40 2.4.2 Sơ ñồ nối ñiện 41 2.4.3 Lựa chọn thiết bị điện 42 2.4.4 Hệ thống ñiện tự dùng 42 2.4.5 Hệ thống bảo vệ rơ le 43 2.4.6 Hệ thống tự ñộng, ðiều khiển, ðo lường 43 2.4.7 Bố trí thiết bị điện 43 2.4.8 Nối ñất, bảo vệ ñiện áp, chống sét 43 2.4.9 Hệ thống thơng tin liên lạc, chiếu sáng, thơng gió 43 Chương 3: NGUYÊN LÍ NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA NHÀ MÁY THỦY ðIỆN THÁC XĂNG 20MW – LẠNG SƠN 48 3.1 Năng lượng dịng chảy mơ hình sở tua bin - máy phát thủy ñiện 48 3.1.1 Năng lượng dòng chảy 48 3.1.2 Mơ hình sở tổ hợp tua bin - máy phát 49 3.2 Giới thiệu thành phần thiết bị nhà máy thủy điện Thác Xăng 51 3.2.1 Mặt bố trí nhà máy 51 3.2.2 Giới thiệu thiết kế nhà máy 53 3.2.3 Thiết bị xả lũ……………………………………………………… 57 3.2.4 Cửa nhận nước, ñường ống áp lực buồng xoắn 59 3.2.5 Tua bin 61 3.2.6 ðặc tính thơng số ñịnh mức máy phát 65 3.2.7 Hệ thống kích từ 68 Chương 4: NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH CÁC THAM SỐ HỢP LÍ CHO NHÀ MÁY THỦY ðIỆN THÁC XĂNG 20MW – LẠNG SƠN, ðỂ ðẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ðIỆN ÁP 82 4.1 Nghiên cứu cấu trúc nhà máy 82 4.1.1 Tua bin – máy phát hệ thống ñiều khiển 82 4.1.2 Cấu trúc hệ thống ñiều khiển 82 4.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng 84 4.3 ðiều kiện nguyên lý vận hành ổn ñịnh tốc ñộ tua bin máy phát 85 4.4 Nghiên cứu hệ thống kích từ máy phát 86 4.5 Nghiên cứu, xác ñịnh tham số tham số cho hệ thống tự động kích từ máy phát nhà máy thuỷ ñiện Thác Xăng 20MW – Lạng Sơn 88 4.5.1 Xây dựng sơ ñồ mô 88 4.5.2 Kết nghiên cứu 93 4.5.3 Thử nghiệm kết nghiên cứu hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh kích từ mơ hình mơ Simulink Matlab cho máy phát nhà máy thuỷ ñiện Thác Xăng 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 CÁC CHỮ VIẾT TẮT DCS Distributed control system – Hệ thống ñiều khiển phân bố GDP Bình quân thu nhập quốc dân TððKKT Tự động điều khiển kích từ NMTðTX Nhà máy thủy ñiện Thác Xăng ðDTK ðường dây tải không TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam QPTLC1-78 Quy phạm tải trọng lực tác dụng lên cơng trình thủy lợi QPTL C8-76 Quy phạm tính tốn thủy lực ñập tràn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam AVR ðiều chỉnh ñiện áp tự ñộng Thyristor Kiểu kích thích DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Danh mục số nhà máy thủy ñiện Việt Nam 18 2.1 Bảng tổng hợp khối lượng thiết bị khí thuỷ lực 33 2.2 Thơng số thiết bị khí thuỷ cơng 38 2.3 Liệt kê thiết bị ñiện nhà máy 43 3.1 Số lần tải giới hạn thời gian tải 65 3.2 Thơng số hệ thống kích từ 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình vẽ Hình Trang 3.1 Dũng chy c s 48 3.2 Mô hình tỉ m¸y ph¸t 50 3.3 Tổng mặt bố trí cụng trỡnh 52 3.4 Bản vẽ mặt bố trí thiết bị nhà máy 54 3.5 Bản vẽ mặt bố trí thiết bị nhà máy 56 3.6 Bản vẽ mặt cắt đập tràn điển hình 58 3.7 Bn v cửa nhận nước, mặt cắt dọc tuyến nhà máy 60 3.8 Hỡnh nh nối trục máy phát tua bin 62 3.9 Cấu tạo tua bin 63 3.10 Sơ ñồ tổng thể hệ thống kích từ SWL 72 3.11 Sơ ñồ chỉnh lưu cầu pha ñối xứng 75 3.12 Sơ đồ ngun lý kích từ 77 3.13 Ngun lý mụ ủun ủin t 80 3.14 Sơ đồ mô quỏ trỡnh điều khiển tự động kích từ máy ph¸t 81 4.1 Sơ đồ cấu trúc mơ mạch điều khiển kích từ 90 4.2 Sơ đồ mơ chỉnh lưu cầu pha dùng thyristor 91 4.3 Sơ đồ mơ cấu trúc tự động điều khiển kích từ 92 4.4a Xung ñiều khiển giai ñoạn ñầu 94 4.4b Xung điều khiển giai đoạn cuối 94 4.5a Dịng ñặt dòng thực tế U = 92V 95 4.5b Dịng đặt dịng thực tế U = 96V 95 4.6.a Dòng xoay chiều, áp chiều tải, dịng thực tế dịng đặt m = 92V 4.6.b Dòng xoay chiều, áp chiều tải, dòng thực tế dòng 96 96 93 Tải chỉnh lưu cuộn kích từ máy phát sơ đồ hình 4.1, điện trở R ñiện cảm L 4.5.2 Kết nghiên cứu Sau khai báo tham số cho ñiều khiển tự động kích từ điện áp, tham số nguồn chạy chương trình, nhận kết dịng điện tải, điện áp tải, thời gian q độ mạch kích từ ðể đạt tham số chuẩn nói: Dịng điện định mức, điện áp định mức đặt lên mạch kích từ ta phải chọn tham số ñiều khiển cho phù hợp Trong sơ đồ mơ sử dụng hai điều chỉnh dịng, điều chỉnh áp Sau thay ñổi tham số ñiều khiển ta thu nhận ñược kết khác Qua q trình chạy kiểm tra ta có kết sau: - Với điều chỉnh dịng có hệ số: Kp = 5; Ki = 0,3 - Với điều chỉnh pha ta có hệ số: Kp = 5; Ki = 100 Trên hình 4.4.a hình 4.4.b hình ảnh xung điều khiển giai đoạn ñầu giai ñoạn cuối trình tự ñộng ñiều khiển hệ thống Qua ñó cho thấy hệ thống tự động điều chỉnh góc α, giai đoạn đầu góc α lớn, giai đoạn sau góc α nhỏ 94 Hình 4.4.a: Xung điều khiển giai đoạn đầu Hình 4.4.b: Xung điều khiển giai ñoạn cuối Trên hình 4.5.a hình 4.5.b cho hai kết dịng điện đặt dịng điện thực tế thực q trình kích từ đạt đến giới hạn thời gian ñịnh mức hai trường hợp mà ñiện áp ñặt Uñ = 92V = 46V Từ đó, cho thấy điện áp U = m = 92V theo dịng đặt I = 472A dòng thực tế 470A 95 Hình 4.5.a: Dịng đặt dịng thực tế Hình 4.5.b: Dịng đặt dịng thực tế U = 92V U = 96V Chứng tỏ với tham số ñiều khiển chọn đảm bảo độ xác để ổn định dịng điện kích từ, ổn định đầu máy phát Khi thay ñổi ñiện áp xuống 46V theo dịng điện thực tế dịng ñiện ñặt thay ñổi theo, giá trị dòng ñiện ñặt 313A Như vậy, hệ thống ñiều khiển áp dụng ñược chức ñiều khiển trường hợp cần giảm kích từ Trên hình 4.6 kết tổng hợp dịng điện xoay chiều phía trước chỉnh lưu, điện áp chiều tải, dịng điện đặt dịng điện thực tế mà m = 92V Cịn hình 4.7 kết qủa tương tự điện áp đặt m = 46V 96 Hình 4.6.a: Dịng xoay chiều, áp Hình 4.6.b: Dịng xoay chiều, áp chiều tải, dòng thực tế dịng chiều tải, dịng thực tế dịng đặt m = 92V đặt m = 46V Ngồi ra, q trình nghiên cứu cịn cho ta thấy dịng, pha phía lưới điện xoay chiều lúc làm việc với chỉnh lưu cầu pha theo khơng cịn sin nữa, có hình dạng hình 4.7 Với dịng điện khơng sin ta cần phải phân tích sóng bản, sóng hài bậc cao 97 Hình 4.7: Bước xung điện áp xoay chiều làm việc chỉnh lưu cầu pha Qua phân tích phổ tần kết cho hình 4.8 từ cho thấy sóng hài bậc cao thiết phải quan tâm cácbậc 3,5,7,11,13,17,19,… Các sóng hài bậc cao đốt nóng máy biến áp chỉnh lưu TM1 Do để ñảm bảo chất lượng hệ thống ñiều khiển kích từ ngồi việc đảm bảo tham số mạch ta cịn phải lắp thờm lọc sóng hài bậc cao phía trước máy biến áp TM1 nhằm ñảm bảo cho máy biến áp làm việc chế độ bình thường 98 Hình 4.8: Sóng hài bậc cao 4.5.3 Thử nghiệm kết nghiên cứu hệ thống tự động điều chỉnh kích từ mơ hình mô Simulink Matlab cho máy phát nhà máy thuỷ điện Thác Xăng Từ kết thí nghiệm mơ hình hệ thống tự động điều chỉnh kích từ Simulink Matlab, ta ñặt hệ thống tự ñộng ñiều khiển kích từ vào roto máy phát để thí nghiệm hình 4.9 Muốn đánh giá kết thiết kế mơ hình TððKKT tốt, ta phải xây dựng mơ hình máy phát nhà máy thủy điện Thác Xăng, áp 99 dụng tham số ñiều kiện tự nhiên, dịng chảy thủy lực, điều kiện biến thiên thuỷ lực yếu tố dẫn ñến thay ñổi phụ tải làm thay ñổi ñiện áp ñầu máy phát Qua đó, thử nghiệm xác định tham số hợp lý nhằm ñảm bảo cho máy phát ñược làm việc chế ñộ mềm Căn vào kết ñã nghiên cứu ta xây dựng sơ ñồ cấu trúc hệ thống máy phát - tua bin nhà máy thủy ñiện Thác Xăng - Lạng Sơn cho hình 4.9 100 Hình 4.9: Sơ ñồ cấu trúc hệ thống máy phát - tua bin nhà máy thuỷ ñiện Thác Xăng 101 Cấu trúc mơ hình kết mơ tả sau: - Máy phát ñồng 10MW, máy phát ñược quay tua bin nước Kaplan ñặt buồng xoắn sau ñường ống áp lực cửa nhận nước nhà máy thủy ñiện Thác Xăng, tham số ñầu vào ñược khai báo (Pm), hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh kích từ ñược ñưa vào máy phát (Vf) Các thơng tin đầu máy phát cực (m), ñiện áp ñầu máy phát gồm pha, pha A, B, C - Trên sơ đồ mơ cịn có thêm phần tử tải, máy biến áp đấu nối phía sơ cấp vào pha ñầu máy phát, thứ cấp ñược ñấu nối vào lưới ñiện Quốc gia có cơng suất 100.000MW, đường dây 110KV - Ngồi cấu trúc trang bị thêm phần tử ñể gây cố lưới ñiện phase Fault1 dùng cho q trình chạy thử nghiệm mơ hình, gây cố ñể kiểm tra ñộ tin cậy thiết bị thiết kế Cấu trúc mơ trình cho phép nghiên cứu trường hợp lưới bị cố ngắn mạch pha, pha, pha Cịn tín hiệu mạch kích từ lấy từ (TM1) thiết kế hệ thống TððKKT ñã ñược ñưa vào chỉnh lưu cầu pha hình 4.9 Kết mơ cho thấy ñiện áp máy phát tải 5MW cho hình 4.10, điện áp 6,3KV Khi thay đổi tải kết khơng thay đổi 102 Hình 4.10: Kết ñiện áp máy phát U = 6,3KV Giả sử bị cố ngắn mạch pha A B kết cho hình 4.11 103 Hình 4.11: Kết cố ngắn mạch pha Khi có ngắn mạch A, B C kết cho hình 4.12 104 Hình 4.12: Kết ngắn mạch pha Như vậy, qua việc nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ hệ thống máy phát nhà máy thủy ñiện Thác Xăng Simulink Matlab Từ đó, kết luận tự động điều khiển kích từ thiết kế chọn tham số chấp nhận ñược 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua trình nghiên cứu trên, luận văn ñã khái quát tình hình xây dựng phát triển hệ thống thủy ñiện giới, Việt nam Lạng Sơn Nhà máy thủy ñiện Thác Xăng nhà máy có cơng suất lớn tỉnh Lạng Sơn Việc nghiên cứu, xây dựng ñưa nhà máy vào hoạt ñộng nhằm phát triển kinh tế tỉnh ñáp ứng phần thiếu hụt ñiện nước ta, đồng thời hồ điều hịa, điều tiết nước cho khu vực phía Bắc, bảo vệ mơi trường… Nghiên cứu cho thấy, ñối với nhà máy thủy điện phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn khác có loại nhà máy có mơ hình khác nhau, cơng suất khác nhau, người ta phải chế tạo ñơn máy phát hệ thống tự ñộng ñiều khiển khác Vì vậy, xây dựng mơ hình thí nghiệm xác ñịnh tham số cho máy phát nhà máy thủy điện cần thiết, cơng trình nhà máy thủy điện Thác Xăng khơng ngoại lệ, hoàn toàn cần thiết Với tham số điều khiển kích từ nhà máy thủy điện Thác Xăng chấp nhận được, thoả mãn ñiều kiện giữ ñược chất lượng ñiện áp không thay ñổi tải thay ñổi Sơ ñồ nghiên cứu xác ñịnh tham số nhà máy thủy ñiện Thác Xăng, với tham số hệ thống tự ñộng ñiều khiển kích từ máy phát nhà máy thủy ñiện Thác Xăng ñã xây dựng ñưa vào thử nghiệm kích thích cho chỉnh lưu cầu pha dùng Thyristor ñã chứng minh Kiến nghị Qua nghiên cứu cho thấy việc nâng cao chất lượng ñiện áp nhà máy thủy ñiện Thác Xăng tỉnh Lạng Sơn dựa vào việc ñiều khiển tham số 106 kích từ hồn tồn đắn Ngồi tác giả đề xuất số hướng nghiên cứu ñề tài sau: - Việc xây dựng sơ đồ điều khiển tự động kích từ nhà máy thủy ñiện Thác Xăng sở cho việc nghiên cứu xác ñịnh cho nhà máy thủy ñiện vừa nhỏ - Xây dựng ñiều khiển kích từ tự động PLC mang lại hiệu tối ưu khả thơng minh thiết bị - Nguồn thủy điện có giới hạn, nên tương lai nhà máy nhiệt ñiện phát triển mạnh mẽ, việc nâng cao chất lượng ñiện nhà máy nhiệt điện thơng qua việc thay đổi tham số điều khiển tự động kích từ ñược nghiên cứu phát triển nhân rộng 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Khái (2006), Thiết kế Nhà máy ñiện Trạm biến áp - Phần ñiện, NXB Khoa học kỹ thuật Trần ðình Long (2008), Bảo vệ hệ thống ñiện, NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab&Simulink dành cho kỹ sư ñiều khiển tự ñộng, NXB Khoa học kỹ thuật Hoàng Minh Sơn (2002), Cơ sở lý thuyết ñiều khiển tự ñộng trình, NXB Khoa học kỹ thuật Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống ðiều khiển trình, NXBBK Hà Nội ðào Văn Tân tác giả (2002), Giáo trình cảm biến cơng nghiệp mỏ dầu khí, NXB Khoa học kỹ thuật Thái Duy Thức (2001), Truyền ñộng ñiện tự động cơng nghiệp mỏ dầu khí Bùi Quốc Khánh: Hệ thống ñiều khiển ðCS cho nhà máy sản xuất ñiện tập 1, nhà xuất KHKT năm (2006) Các catalog thiết bị sử dụng nhà máy 10 Tiêu chuẩn IEC, tiêu chuẩn TCVN tiêu chất lượng ñiện thiết bị ñiện 11 Các tài liệu liên quan mạng Internet: - www.vncold.vn trang Web hội nhập lớn Việt Nam - http://.www.Vietecology.org/Artivle.aspx/Artivl150 - http://.www.khoahoc.net/ - http.//hascon.net/ - http.//Vietsciences.freefr/ - http.//bkeps.com - http.//bee.net.vn ... tượng nghiên cứu ðối tượng nghiên cứu tập trung vào tham số ñiều khiển nhà máy thủy ñiện Thác Xăng – Lạng Sơn Nội dung ñề tài Nghiên cứu xác ñịnh tham số ñiều khiển hợp lý cho nhà máy thuỷ ñiện Thác. .. thủy ñiện Thác Xăng 20MW – Lạng Sơn Chương nghiên cứu xác ñịnh tham số hợp lí cho nhà máy thủy điện thác xăng 20MW – Lạng Sơn, ñảm bảo chất lượng ñiện áp Luận văn phần cơng trình nghiên cứu triển... MỎ - ðỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH CÁC THAM SỐ ðIỀU KHIỂN HỢP LÝ CHO NHÀ MÁY THỦY ðIỆN THÁC XĂNG 20MW – LẠNG SƠN, ðỂ ðẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ðIỆN ÁP Chun ngành: Tự động hóa Mã số: 60.52.60