Lựa chọn thiết bị ổn định công suất

5. Kết cấu luận văn

2.3.3. Lựa chọn thiết bị ổn định công suất

Do thiết bị ổn định công suất đầu vào kép chỉ có một số ưu điểm hơn so với các bộ ổn định dựa trên tốc độ, nhưng nó lại tồn tại những nhược điểm như: để tạo ra tín hiệu sai lệch về công suất, quá trình tính toán để chọn các thông số của bộ lọc thông cao cho đầu vào tốc độ gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy các bộ ổn định dựa trên tốc độ vẫn được sử dụng khá phổ biến, để hiểu rõ về chúng thì ta chọn mô hình khối PSS1A để phân tích.

Trong mô hình PSS1A bao gồm các khối sau: 2.3.3.1. Tín hiệu tốc độ

Tốc độ trục có thể được đo trực tiếp, hoặc thu được từ tần số của một tín hiệu điện áp bù xuất phát từ cực máy phát, VT và CT là điện áp và dòng điện thứ cấp. Nếu đo trực tiếp tốc độ trục thường được lấy từ một cực từ và bố trí bánh răng, trên các máy phát tuabin cực ngang hoạt động ở 1800 vòng/phút hoặc 3600 vòng/phút, thông thường có sẵn nhiều bánh răng với mục đích đo tốc độ và điều khiển. Vị trí trục không quan trọng, miễn sao nó được gắn trực tiếp vào trục chính máy phát. Với các máy phát thủy lực, việc đo trực tiếp tốc độ trục là tương đối khó khăn, đặc biệt khi trục phải chịu một lượng lớn chuyển động biên trong vận hành bình thường. Trên những máy phát này, tốc độ luôn được lấy từ một tín hiệu tần số bù. Trong các loại máy phát khác thì tín hiệu tốc độ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, làm che lấp thông tin về sự thay đổi tốc độ mà ta đang cần đo.

Hình 2.15: Khâu lọc thông cao.

Trong trường hợp khác, tín hiệu kết quả phải được chuyển sang một mức hằng số tỷ lệ với tốc độ (tần số). Hai đoạn mạch lọc thông cao (mạch lọc cao tần) được đưa vào tín hiệu kết quả để loại bỏ mức tốc độ trung bình, tạo ra một tín hiệu lệch tốc độ, điều này đảm bảo rằng thiết bị ổn định chỉ tác động với những thay đổi trong tốc độ, hoàn toàn không thay đổi điện áp đặt đầu cực máy phát. Mỗi bộ lọc cao tần như trên hình 2.15 được thực hiện với hàm truyền đi kèm trong đó khoảng điều chỉnh hằng số thời gian là:

120s. 2.3.3.2. Bộ lọc xoắn   1 sT6 1  sT 1 sT 5 5

Các tín hiệu sai lệch tốc độ sau khi được lọc thông qua bộ lọc thông cao, đưa vào đầu vào bộ lọc xoắn. Tín hiệu này sau đó được lọc, một bộ lọc có thể dưới một trong hai dạng sau:

Dạng thứ nhất là một bộ tần thấp 4 cực, được dùng để hãm các thành phần xoắn xuất hiện trong tốc độ. Với các máy phát điện, hằng số thời gian có thể được chọn để hãm ở tần số xoắn thấp nhất của máy phát. Tuy nhiên, yêu cầu thiết kế này lại mâu thuẫn với việc tạo ra một tín hiệu tỷ lệ với tốc độ hợp lý. Đặc biệt vấn đề này xảy ra trên các máy phát thủy điện, vì chúng dễ dàng có thể có tỷ số thay đổi công suất cơ lên tới 10%/giây. Vượt quá giới hạn của tín hiệu công suất cơ, dẫn tới thay đổi quá mức tín hiệu ra của thiết bị định công suất trong quá trình mang tải cũng như không mang tải của máy phát.

Hình 2.16: Bộ lọc các thành phần xoắn.

Dạng thứ hai thường được gọi là bộ lọc bám dốc, tạo ra một sai số tĩnh triệt tiêu trong đầu vào tín hiệu tốc độ. Điều này hạn chế việc thay đổi đầu ra của thiết bị ổn định công suất, nó thường gặp phải trong quá trình vận hành của các máy phát.

2.3.3.3. Bù pha và lựa chọn tín hiệu ổn định

Hình 2.17: Khâu khuếch đại và bù pha.

Như mô tả trên hình 2.17, tín hiệu tốc độ được hiệu chỉnh trước khi đưa tới thiết bị ổn định công suất. Tín hiệu được lọc để tạo ra vượt pha trước ở các tần số cơ điện cần dùng (0.1 ÷ 5)Hz, yêu cầu vượt pha là đặc thù theo vị trí và được yêu cầu để bù vào sự trễ pha tạo ra bởi bộ điều chỉnh điện áp vòng kín.

Hàm truyền của mỗi giai đoạn bù pha là dạng đơn giản, trong đó hằng số thời gian trễ và vượt được điều chỉnh trong khoảng:

0.01s  T  6s.

2.4. Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát có PSS

1 S K 2 1 sT 1 1  sT 4 3 sT 1 1  sT H VSTmin VSTmax VST A s A s2 1 2 1 1 

Trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn thiết kế, catalog về các sản phẩm phổ biến trên thị trường của các hãng ABB Industrie AG [12], General Electric, là các hãng hàng đầu trong chế tạo hệ thống điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ ta đưa ra sơ đồ hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát có trang bị PSS.

Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp và ổn định công suất máy phát đồng bộ.

Kết luận chương 2

Chương này đã trình bày khái quát về hệ thống tự động điều chỉnh kích từ, giới thiệu một số hệ thống kích từ cho máy phát đồng bộ, thiết lập phương trình của hệ thống điều chỉnh kích từ, ổn định công suất của HTĐ, các loại dao động thường khảo sát với HTĐ.

Phân tích các thiết bị ổn định hệ thống nguồn công suất, từ đó đề xuất việc sử dụng cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh kích từ máy phát và thiết bị ổn định công suất PSS1A. Tạo tín hiệu V đặt Chế độ tự động AVR Giới hạn V/Hz + + – ∑ HV gate Giới hạn UEL LV gate Giới hạn OEL + + ∑ khiển PI Bộ điều Tạo tín hiệu Q đặt + ∑ – Q Bộ điều chỉnh Q SW1 V PSS AVR SW2 VĐK Giới hạn cưỡng bức Bộ điều khiển PI + – ∑ MVR Chế độ bằng tay Tạo tín hiệu Ikt đặt Ikt

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG NGUỒN CÔNG SUẤT

Để thiết kế được bộ điều khiển cho PSS, trước tiên chúng ta phải nghiên cứu các phương pháp thiết kế sau:

3.1. Phương pháp thiết kế PSS

Thiết kế PSS được dựa trên các khái niệm mômen đồng bộ hóa và sự dao động tắt dần của các máy phát, tại những thời điểm cụ thể. Trong thực tế các máy phát điện tác động với nhau thông qua điện áp và dòng điện, ảnh hưởng động lực học của các máy là khác nhau. Do đó phải xem xét một cách cụ thể khi thiết kế PSS, điều này được biết đến giống như việc phối hợp điều chỉnh của PSS trong hệ thống nhiều máy phát. Có rất nhiều tạp trí miêu tả các phương pháp khác nhau, cho việc thiết kế PSS trong hệ thống máy phát như [Martins, 2000]. Một cách tổng quát chúng đều tập trung vào các phương pháp như: mômen tắt dần, đáp ứng tần số hay giá trị riêng và ma trận trạng thái. Kỹ thuật tiếp cận giá trị riêng và đáp ứng tần số từ không gian trạng thái đại diện của một hệ thống tương đương với hệ thống thực, trên quan điểm của người thiết kế. Tuy nhiên, với một hệ thống SISO (một đầu vào và một đầu ra) cách tiếp cận đáp ứng tần số cho những phân tích hay hơn, đơn giản hơn trong cách phân tích mômen tắt dần.

3.1.1. Phương pháp tiếp cận mômen tắt dần

Khi sử dụng phương pháp này chúng ta phải tìm các hằng số (K) của các khâu, cũng như sự ảnh hưởng của các máy phát khác nhau tác động lên một máy cụ thể, để tính toán bổ xung mômen làm giảm sự dao động được gọi là mômen tắt dần. Trong dải tần số rộng, việc phân tích một tín hiệu nhỏ được sử dụng để kiểm tra dao động tắt dần của mỗi máy phát. Để thực hiện được, trước tiên chúng ta phải tìm hàm truyền   ei  

vi ssi T s H s V s    giữa

điện áp đầu vào và mômen điện đầu ra với từng máy phát đã được tính toán. Ảnh hưởng của thay đổi tốc độ tới mômen điện được mô hình hóa thông qua hai hàm truyền: một là thông qua góc phụ tải giống như ảnh hưởng bởi thiết bị thay đổi điện áp thông qua mạng

  ei   i i T s H s s    

 , hai là thông qua tốc độ đầu vào PSS, biểu diễn   ei   i i T s H s s      .

Với 3 hàm truyền trên, biến góc quay và tốc độ của H svi  phải được giữ không đổi điều này có thể thực hiện bằng cách tạo ra quán tính của máy phát lớn. Trong việc tiếp cận không gian trạng thái, cần quan tâm đến sai lệch tốc độ icủa tất cả các máy phát giống như đầu vào, bằng cách loại một hàng của ma trận trạng thái A tương ứng với phương trình vi phân bậc ba và di chuyển cột tương ứng đến biến trạng thái nối thêm ở véctơ đầu vào. Khi đó chúng ta có thể kiểm tra ảnh hưởng của mômen điện T sei  của máy phát thứ i, giống như kết quả nhiễu trong tốc độ của các máy phát khác j. Nó cũng mang lại khá nhiều thông tin của sự tác động lẫn nhau, giữa hai máy phát ở những dải tần số khác nhau. Khi không có PSS, hàm truyền H si  thông qua góc quay của rôto cung cấp một mômen làm giảm sự dao động, nhưng máy phát này cũng có thể là cung cấp mômen có giá trị âm hay rất nhỏ nên không thể dập tắt dao động.

Đối với những máy phát quan trọng yêu cầu phải có PSS, hàm truyền H s  cung cấp thông tin của PSS khi kết nối trong hệ thống. Khi đó nó sẽ cung cấp mômen ngược với mômen dao động, thông qua biên dạng góc quay trong hàm truyền H si . Phần dương của Hij s tức là mômen tạo ra ở động cơ thứ i cho dao động ở động cơ thứ j.

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, vì hệ số khuếch đại của máy phát được chọn, các tham số của PSS như: mạch lọc thông cao, mạch bù pha,…tính toán dễ dàng, đồng thời nó được điều chỉnh thích hợp để có hệ số KPSS thông qua dải tần số.

Nhưng nó có nhược điểm là khi phân tích giá trị riêng của mômen dao động ở vòng kín, chuyển từ chế độ nhiều máy phát về chế độ một máy phát thì sẽ không đầy đủ, nên khi điều chỉnh hệ số khuếch đại gặp nhiều khó khăn. Do đó góc phụ tải dao động không chính xác.

3.1.2. Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số

Phương pháp tiếp cận đáp ứng tần số đã được biết đến, bởi nhiều tác giả đã nghiên cứu để thiết lập các thông số của PSS. Trong đó phương pháp Nyquist được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển tốc độ và năng lượng phản hồi cho hệ số khuếch đại, khái niệm về ma trận nghịch đảo Nyquist (INA) được sử dụng để có được khoảng hệ số khuếch đại phản hồi trong mỗi vòng lặp.

Phương pháp là lặp đi lặp lại các điều kiện hoạt động khác nhau và hệ số khuếch đại được chọn từ khoảng trên. Mục đích chính là xem xét đặc tính pha của một PSS, mô hình hóa sự trễ pha của hàm truyền GPSS(s), phản hồi một cách chính xác các pha trễ trong hàm truyền của hệ thống kích từ. Với hệ thống nhiều máy phát, các thông số của khối trễ pha và hệ số khuếch đại cho mômen tắt dần có được bằng cách thiết lập các phương trình phi tuyến. Để tính được các thông số đó ta phải thiết lập đủ ba phương trình phi tuyến, được giải bằng phương pháp Newton.

Ưu điểm của phương pháp này là có thể bù pha một cách chính xác, hệ số khuếch đại được xem xét trong trường hợp có nhiễu trong thực tế.

Tuy nhiên nhược điểm của nó là việc giải phương trình phi tuyến sẽ gặp khó khăn, đồ thị quỹ đạo nghiệm để xét xem hệ có ổn định hay không, từ đó tìm các hệ số cũng gặp những khó khăn nhất định.

Để giải quyết khó khăn này ta sử dụng phương pháp giá trị riêng và biến trạng thái. 3.1.3. Phương pháp tiếp cận giá trị riêng và biến trạng thái

Phân tích giá trị riêng là phần chính của các nghiên cứu liên quan đến ổn định tín hiệu.

Phương pháp này, được sử dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh và phân tích hiệu suất PSS của hệ thống. Việc phân tích, tính toán ổn định tín hiệu nhỏ hay thiết kế bộ điều khiển với hệ số khuếch đại và định lượng tương thích giữa các PSS là rất quan trọng. Tính năng của giá trị riêng được kết luận chung chung, nhưng nó không bị giới hạn bởi sự phức tạp của mô hình.

Để có bộ PSS, ta sẽ tạo ra một cấu trúc điều khiển cố định GPSSij s k H sij ij  mà sẽ liên kết đầu ra thứ j với đầu vào thứ i của hệ thống G sij . Giả thiết rằng, nhà máy có chế độ điện tới hạn h là rất quan trọng tới hệ số tắt dần của mômen. Độ nhạy của giá trị riêng

nghĩa là khi thay đổi giá trị riêng h cho ta một thay đổi nhỏ của hệ số khuếch đại kij, được thể hiện như công thức sau:

  ij h h ij h ij R H k      (3.1)

Khi Rhij là phần dư của chế độ thứ h, có nghĩa là kết quả của phương pháp điều khiển và phương thức quan sát được miêu tả trước đó. Mở rộng phương trình (3.1) với hệ nhiều đầu vào và nhiều đầu ra MIMO có thể được viết như sau:

h   h h ij Trace R H k          (3.2)

Đối với những thay đổi đủ nhỏ của kij trong hệ số khuếch đại kij, sẽ thay đổi giá trị

h   là: ij ij   h R Hh ij h kij      (3.3)

Từ biểu thức (3.3) chúng ta thấy pha của Hij điều khiển hướng thay đổi của h và sự thay đổi trong việc cấp thêm số lượng hệ số kij. Pha của H sij  được chọn để định hướng tới phần âm của trục thực mặt phẳng phức, chế độ có thể di chuyển về bên trái bằng cách tăng hệ số khuếch đại để đạt được mômen tắt dần trong vòng lặp kín mong muốn. Khi ta giải phương trình (3.3) sẽ cho cấu trúc điều khiển phân cấp, nghĩa là khi ma trận điều khiển là ma trận đường chéo. Mặc dù đầu ra của một bộ điều khiển đang điều khiển biến vật lý, điều này ảnh hưởng đến đầu ra khác bởi vì các mối liên kết trong máy phát điện thông với mạng điện. Sự thay đổi chế độ tổng thể liên quan đến hệ số khuếch đại của bộ điều khiển, được chọn cung cấp cho tất cả các vòng lặp. Hoạt động của sự thay đổi hệ số khuếch đại kii thể hiện như sau:

  n ij ji h h ii h ii j R H k 1       (3.4)

Giá trị thay đổi của hliên quan đến hệ điều khiển n là:

ij n n ji   h h ii h ii i j R H k 1 1        (3.5)

Nghiên cứu phương trình (3.4) ta thấy, thường thì pha của H sii  được chọn để tạo ra mômen tắt dần với chế độ h thông qua G sii  phù hợp với hệ số khuếch đại kii. Pha và hệ số khuếch đại của thành phần Rii giúp cho lựa chọn đặc tính pha và hệ số khuếch đại của bộ điều khiển một cách tốt nhất. Hệ số của ma trận ij

h

R , ngay cả trong cấu trúc điều khiển phân cấp, cũng cho biết các vòng lặp khác nhau. Một số hệ số có thể làm chế độ tiến sang bên phải, kết quả cho thấy mômen tắt dần quan sát được khác nhau đáng kể từ các giá trị thay đổi này.

Có một vài phương pháp thiết kế mà sẽ cho kết quả thay đổi của h sang bên trái. Phương pháp này dựa trên việc tối ưu hóa mà rất hiệu quả cho việc thiết kế và điều tiết một số lượng lớn PSS. Ràng buộc tuyến tính được áp dụng như sau: