Để tổng hợp luật điều khiển van cấp nƣớc cho turbine quay máy phát điện ở nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, khơng có bể điều tiết, cần phải xác định đƣợc tham số mơ hình mơ tả q trình quay turbine và thời điểm có sự thay đổi của năng lƣợng cột nƣớc của nguồn nƣớc nơi đặt turbine và máy phát thủy điện. Chƣơng 2 luận án đã giải quyết hai vấn đề nêu trên.
1. Trên cơ sở các tài liệu kinh điển và các cơng trình đã cơng bố đã xác định mơ hình mơ tả động học hệ điều khiển cánh lái hƣớng cấp nƣớc cho turbine quay máy phát điện. Đối với nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ ở Việt Nam các tham số của mơ hình này thay đổi do năng lƣợng cột nƣớc biến động. Vì vậy cần phải có giải pháp xác định các tham số này.
2. Ứng dụng phƣơng pháp tốn bình phƣơng tối thiểu đã xây dựng thuật tốn xác định tham số mơ hình tốn mơ tả quan hệ giữa độ mở van cấp nƣớc với tốc độ quay turbine lai ghép với máy phát điện trên cơ sở thu thập thơng tin về tín hiệu điều khiển, về góc mở van điều khiển và về tốc độ quay của turbine.
3. Ứng dụng giải thuật lọc Kalman để kết hợp thông tin của con quay vi cơ đo tốc độ góc với thơng tin của phần tử đo gia tốc (gia tốc kế) xác định năng lƣợng cột nƣớc và từ đó xác định thời điểm cần thiết phải nhận dạng xác định tham số mơ hình và hiệu chỉnh luật điều khiển van cấp nƣớc cho tổ máy phát thủy điện.
CHƢƠNG 3 TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ QUAY
TURBINE TRONG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ
Để ổn định tần số điện áp phát ra của máy phát điện trong nhà máy thủy điện cần điều khiển ổn định tần số quay của turbine. Do tải yêu cầu đối với máy phát thƣờng xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên, khi này nếu lƣu lƣợng nƣớc cấp cho turbine khơng thay đổi thì tần số quay turbine sẽ thay đổi theo. Vì vậy, ở các nhà máy thủy điện ln có các thiết bị điều khiển lƣu lƣợng dịng nƣớc cấp cho turbine để ổn định tần số quay. Trong thiết bị điều khiển này có bộ phận thu thập thông tin từ các thiết bị đo lƣờng và xử lý thông tin để tạo lệnh điều khiển. Thuật tốn xử lý thơng tin tạo lệnh điều khiển là sản phẩm luôn đƣợc các nhà sản xuất chế tạo thiết bị giữ bản quyền, rất ít khi chuyển giao. Chính vì vậy, để chủ động trong khai thác vận hành nhà máy thủy điện chúng ta phải từng bƣớc làm chủ vấn đề này. Trong chƣơng này luận án sẽ trình bày ba thuật tốn tổng hợp luật điều khiển cánh lái hƣớng của van cấp nƣớc cho turbine. Hai thuật toán dùng cải tiến hiệu chỉnh tham số phần mềm ở các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ đang hoạt động, cịn một thuật tốn dùng khi chủ động thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển thay thế cho thiết bị nƣớc ngoài.
Trong chƣơng 2 đã trình bày mơ hình tốn mơ tả quan hệ giữa góc quay cánh lái hƣớng của van cấp nƣớc có thế năng và động năng cho turbine của tổ hợp “turbine + máy phát điện” trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ với việc thay đổi tần số quay của turbine. Tuy nhiên, chƣa trình bày thuật tốn hình thành giá trị lệnh nhằm ổn định tần số điện áp phát ở giá trị chuẩn 50 Hz. Hiện nay, ở các nhà máy thủy điện hiện có luật điều khiển van cấp nƣớc thƣờng đƣợc áp dụng là
0
(trong trƣờng hợp rotor máy phát điện chỉ có một cặp nam châm thì
0 2 f0 2 50 100
). Tuy nhiên nhƣ chƣơng 2 đã phân tích các tham số mơ hình mơ tả động học quay turbine thủy điện vừa và nhỏ khơng có bể điều áp thƣờng thay đổi, phụ thuộc vào cao trình của hồ chứa nƣớc hoặc tốc độ dòng chảy. Khi này với tham số bộ điều khiển PID đã đƣợc nƣớc ngoài cài đặt sẽ khai thác không hiệu quả nguồn năng lƣợng của cột nƣớc. Vì vậy phải giải quyết vấn đề này để nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng lƣợng của cột nƣớc
Trong chƣơng 2 đã cho thấy mơ hình mơ tả quan hệ giữa tín hiệu điều khiển quay cánh lái hƣớng và tần số quay của turbine nhƣ sau:
1 d T K z dt (3.1) 2 2 2 u d d T K U z dt dt (3.2)
trong đó: - tần số quay của turbine, - góc cánh lái hƣớng dịng nƣớc cấp vào turbine (khi 0 thì van đóng và ngừng nƣớc cấp vào turbine, còn khi
max
thì van mở hết cỡ), các tham số T, T, K, Kuphụ thuộc vào áp lực và tốc độ chảy của cột nƣớc, tham số z2 phụ thuộc vào áp lực cột nƣớc, tham số z1
ngoài sự phụ thuộc và áp lực và dòng chảy còn phụ thuộc vào tải tiêu thụ đƣợc phân bổ cho máy phát điện. Tần số chuẩn turbine cần quay là:
0 0 2 2 50 100 c c c f n n n (3.3)
ở đây nc- là số cặp cực từ trƣờng nam châm của rotor máy phát điện. Nhiệm vụ điều khiển máy phát điện ở các nhà máy thủy điện gồm hai nhiệm vụ chính là điều khiển kích từ rotor máy phát để biên độ điện áp phát ra ổn định ở giá trị danh định và điều khiển cánh lái hƣớng dòng nƣớc cấp turbine
quay rotor đảm bảo tần số điện áp phát ra ổn định ở giá trị danh định trong dải thay đổi của tải z1 do hệ thống điện lƣới yêu cầu. Việc điều khiển phần kích từ đã nhiều cơng trình cơng bố, khơng đƣợc xem xét trong luận án này. Đối với tất cả các máy phát thủy điện hiện có ở nƣớc ta hiện nay việc điều khiển tần số quay turbine thƣớng có hai vịng điều khiển, vịng điều khiển vị trí cánh lái hƣớng và vòng điều khiển tần số quay turbine.
Có thể xây dựng sơ đồ chức năng mơ tả q trình điều khiển hệ thống ổn định tần số quay turbine phù hợp với tần số điện áp phát ra của máy phát điện nhƣ sau (hình 3.1): Thiết bị tạo lệnh ổn định tần số quay turbine Turbine + Máy phát điện Thiết bị đo tần số quay ω
Cơ cấu tạo tần số chuẩn ω0
U Động cơ điện quay cánh lái hướng dòng nước (Van) ω0 α ω Thiết bị tạo lệnh điều khiển vị trí cánh lái hướng Thiết bị đo góc α u u(α)
Hình 3.1. Sơ đồ chức năng q trình điều khiển quay turbine máy phát điện.
Có thể có ba tình huống can thiệp vào sơ đồ chức năng nêu trên:
- Tình huống 1: Thiết bị tạo lệnh ổn định tần số quay turbine và Cơ cấu tạo
lệnh điều khiển vị trí cánh lái hướng chỉ cho phép cài đặt các tham số của luật
điều khiển ổn định tần số quay turbine và của luật điều khiển vị trí cánh lái hƣớng.
- Tình huống 2: Có thể chủ động thay đổi luật ổn định tần số quay turbine, tức là chủ động tạo ra luật hình thành tín hiệu u, khơng can thiệp vào Cơ cấu tạo lệnh điều khiển vị trí cánh lái hƣớng.
- Tình huống 3: Có thể thay đổi cả hai cơ cấu điều khiển trong sơ đồ hình 3.1, tức là chủ động tạo ra luật hình thành tín hiệu U.
Sau đây luận án lần lƣợt đi vào giải quyết ba tình huống trên.