Thiết lập mụ hỡnh nõng cao chất lượng điều tốc turbine 6 3-

2.8.1. Mụ hỡnh hệ thống

Cở sở nghiờn cứu về điều chỉnh tốc độ tự động đối với thuỷ điện nhỏ được minh hoạ trong trường hợp tổ mỏy phỏt cấp riờng cho phụ tải cục bộ như hỡnh 2-21

Hỡnh 2-21. Mỏy phỏt cấp cho phụ tải

Trong đú: PL : Cụng suất phụ tải Pm : Cụng suất cơ Pe : Cụng suất điện

Khi phụ tải thay đổi làm cho cụng suất điện Pe thay đổi, làm mất cõn bằng giữa cụng suất điện Pevà cụng suất cơ, đõy là nguyờn nhõn làm cho tốc độ thay đổi tăng hay giảm tựy vào Pe nhỏ hơn hay lớn hơn Pm. Nhiệm vụ bộ điều tốc lỳc này là dựa vào sai lệch tốc độ thực tế và tốc độ đặt để điều chỉnh van nước thay đổi lượng nước vào turbine, do đú làm thay đổi tốc độ cho tới khi tốc độ turbine bằng với tốc độ đặt thỡ bộ điều tốc mới thụi tỏc động. Điều chỉnh tốc độ là thiết kế đỏp ứng được sự thay đổi của phụ tải. Từ hỡnh 2-21 khi mỏy phỏt (SG) nối trục cứng với turbine và cấp năng lượng đến tải được mụ tả bằng phương trỡnh chuyển động theo (2.1) Chỳng ta cú thể sử dụng cụng suất thay thế mụmen trong phương trỡnh của chuyển động đối với những sự sai lệch nhỏ:

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 0 0 0 0 ; r m m m e e c r r P M P P M M M M M M                  (2.110) Với trạng thỏi tĩnh Mm0 = Me0, ta cú: 0( ) m e m e P P  M M        (2.111) Cho tốc độ định mức 0 = 1 ( P.U.), ta cú: 0 0 2  ( ) / ; 2       r m e d H P P J H dt (2.112)

Hàm di chuyển trong phương trỡnh (2.112) được minh họa trong hỡnh 2-21. Cụng suất Pe điện từ được phỏt tới phụ tải hỗn hợp. Mỗi số loại tải khụng phụ thuộc nhiều tần số ( tải chiếu sỏng và tải nhiệt). Trong đú, tải động cơ phụ thuộc nhất vào tần số, ta cú:



    Pe PL D r (2.113)

Trong đú: PL là sự thay đổi cụng suất tải độc lập ; D là hệ số giảm tải Điều khiển của mỏy phỏt đồng bộ trong hệ cụng suất nhà mỏy thuỷ điện

Hỡnh 2-21. Hàm truyền cụng suất (tốc độ).

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hỡnh 2-23. Mụ hỡnh bộ điều tốc (a) Sơ đồ mạch và (b) Đỏp ứng khi tăng tải.

Từ phương trỡnh (2.112) và Phương trỡnh (2.113) ta được :

0

2  r      

r m L

H d D P P

dt (2.114)

Với hàm truyền cụng suất cơ (hay tốc độ) trong hỡnh 2-21. Để ổn định tốc độ lệch tĩnh Δωr khi tải thay đổi phụ thuộc vào độ nhậy tần số tải. Đối với một biến đổi của phụ tải điện (ΔPL), độ lệch tốc độ cuối cựng là Δωr = ΔPL / D (hỡnh 2-22). Bộ điều tốc được thiết kế theo hỡnh 2-23.

2.8.1. Thời gian đặc trưng của bộ điều chỉnh tốc độ

Bộ điều khiển tốc độ thiết lập bự độ giảm tạm thời, để điều chỉnh sự thay đổi vị trớ của cỏc cổng từ sự dẫn nước của đường ống đến thay đổi ỏp suất turbine với thời gian ngắn khụng như ý muốn.

Hệ phản hồi tần số ổn định với yờu cầu thời gian khởi động trong hoạt động của hệ thống thể hiện trong hỡnh 2-24

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đú cỏc trị số được xỏc định như sau:

Tω : Hằng số thời gian bắt đầu (Tω =1s) Rp : Độ giảm tốc độ trạng thỏi tĩnh (0,05)

TGV : Hằng số thời gian động cơ chớnh trợ lực (0,2 s)

TR : Thời gian đặt lại (5 s)

RT : Độ giảm tốc độ tạm thời (0,4)

D = 2

Mụ hỡnh điều khiển tốc độ mở cỏnh hướng turbine trong hỡnh 2-24 đạt tiờu chuẩn mụ hỡnh hoàn chỉnh được ứng dụng trong thực tế hơn do điều khiển tốc độ thiết thực, dựng để nõng cao phản hồi độ lệch tốc độ (gúc cụng suất) cho nhiễu tải khỏc nhau (ΔPL )

2.8.2. Thiết lập sơ đồ khối điều khiển

Chức năng cơ bản của điều tốc để kiểm soỏt tốc độ và cụng suất tải thụng qua cỏc tớn hiệu phản hồi của sai lệch tốc độ, hoặc sự thay đổi cụng suất, trong đú cú cỏc thụng số đó được thiết lập. Điều này đảm bảo sự cõn bằng cụng suất hoạt động trong hệ thống cũng như để duy trỡ tần số lưới điện trong thời hạn vận hành. Một điều tốc điện - thuỷ lực cung cấp với luật điều khiển PID được thể hiện trong hỡnh 2-25. Độ sai lệch tốc độ được xử lý thụng qua hệ thống PID thành một tớn hiệu lệnh để cỏc van thủy lực và cơ cấu trợ động (servo) điều chỉnh sự thay đổi trong van tiết lưu hoặc vị trớ cửa van của cơ cấu truyền động đầu tiờn.

Cỏc hằng số thời gian Ta, Tcvà Td của cỏc thiết bị truyền động thủy lực được thành lập bởi cỏc đặc điểm cụng nghệ của hệ thống van và servo.

Hỡnh 2-25. Sơ đồ khối Bộ điều tốc turbine thuỷ lực

Trong đú: TPV : Thời gian động cơ trợ động định hướng của van (0,05 giõy)

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

KV : Khuếch đại phụ động (5)

Rmax mở: Tốc độ mở cửa van tối đa ≈ 0,15 PU / giõy

Rmax đúng: Tốc độ đúng cửa van tối đa ≈ 0,15 PU / giõy

TR : Thời gian thiết lập lại (5 giõy)

RP: Độ trỳc vĩnh cửu (0,04)

RT : Độ trỳc tạm thời (0,4)

Khi vận hành hệ thống thỡ đặc tớnh vận hành phải thay đổi nhờ cỏc thiết bị điều khiển cú độ chấn bự chuyển tiếp để vận hành ổn định. Với vận hành khi đảo sự lựa chọn thỡ cần thiết phải cú độ giảm chấn tạm thời RT và thời gian khởi động lại TR , hằng số thời gian khởi động Tω và hằng số thời gian cơ năng của turbine phỏt TMvới độ ổn định hệ số khuyếch đại KV:

2,3 ( 1.0)0.15 T M T R T T      (2.124) 5, 0 ( 1.0)0.5 R T   T T (2.125) ;  M T J (2.126) 2 0 0 ( )   j J s s (2.127)

Trong đú: J (kgm2) : Mụ men quỏn tớnh

ω0 : tốc độ gúc định mức (rad/s)

S0: Cụng suất biểu kiến định mức (VA) của mỏy phỏt điện

2.8.3. Bộ điều khiển mờ theo luật PID

Trong turbine thủy lực, hệ thống điều chỉnh thực hiện điều khiển theo hỡnh 2-25 được kiểm soỏt trờn một tiờu chớ là tối ưu húa. Hệ thống điều khiển được thiết kế trờn cơ sở tối ưu hoỏ với hệ điều khiển logic mờ theo thuật toỏn chỉnh định PID cú 3 đầu vào gồm sai lệch e giữa tớn hiệu đầu vào và tớn hiệu ra, đạo hàm bậc nhất của e' và đạo hàm bậc hai của e'' của sai lệch. Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm du/dt của tớn hiệu điều khiển u(t) hỡnh 2-26.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Sử dụng phương phỏp chỉnh định bộ điều khiển theo giải thuật Ziegler- Nichols (Z-N) điều chỉnh dựa trờn nguyờn tắc hệ số khuếch đại Kthvà chu kỳ Pth sẽ được sử dụng theo hỡnh 2-27. Trong phương phỏp này, việc tỏch rời thời gian Ti sẽ được thiết lập đến vụ cựng và thời gian phỏi sinh Td tới khụng.

Đú là sử dụng để cú được PID ban đầu thiết lập của hệ thống. Thiết lập PID này, sau đú sẽ tiếp tục được tối ưu húa bằng cỏch sử dụng "Phương phỏp suy giảm độ dốc".

2.8.4. Tham số PID

Từ những đỏp ứng dưới đõy, hệ thống theo khảo sỏt là dao động và do đú điều chỉnh theo quy tắc Z-N dựa trờn hệ số khuếch đại tới hạn Kth và chu kỳ tới hạn

Pth để ỏp dụng ta cú: G sc( )Kp(1T si( )T sd( )) (2.128)

Hỡnh 2-27. Minh hoạ của dao động duy trỡ

Từ Nichols-Ziegler phương phỏp điều chỉnh tần số theo quy tắc điều chỉnh với thụng số của Kp, Ti và Td như bảng 2-1 với.

Kth là hệ số khuếch đại khi hệ ở trạng thỏi dao động tới hạn.

Tck là chu kỳ dao động của đối tượng.

Luật điều khiển Kp Ti Td

P 0,5.Kth ∞ 0

PI 0,4.Kth 0,8.Tck 0

PID 0,6.Kth 0,5.Tck 0,125.Tck

Bảng 2-1. Thiết lập giỏ trị PID

Xem xột một phương trỡnh đặc trưng của vũng khộp kớn

3 2

6 5 0

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Từ tiờu chuẩn ổn định Routh, giỏ trị của Kp làm cho hệ thống ổn định cú thể được xỏc định theo Bảng 2-2

S3 1 5

S2 6 Kp

S1 (30-kp)/6 0

S0 Kp -

Bảng 2-2. Giỏ trị của Kp của hệ thống ổn định

Thiết lập cỏc tham số điều khiển PID thu được hàm chuyển giao khộp kớn của cỏc PID điều khiển với tất cả cỏc thụng số cần được xỏc định là:

( ) (1 ) c p i d G s K T s T s 1 18(1 0.3512) 1.4S    2 6.3223(S 1.4235) S   (2.130)

Từ hàm truyền đạt trờn, ta cú thể thấy rằng bộ điều khiển PID đó đạt cực trị tại gốc s = -1,4235. Cỏc sơ đồ khối của kiểm soỏt hệ thống với điều khiển PID là như sau.

Hỡnh 2-28. Sơ đồ hàm truyền điều khiển khộp kớn

Do đú cỏc sơ đồ khối ở trờn được giảm xuống

Hỡnh 2-29. Sở đồ hệ thống giản thể Vũng lặp khộp kớn hệ thống là: 2 4 3 2 ( ) 6.3226 17.999 12.808 ( ) 6 11.3223 18 12.8089        c G s S S R s S S S S (2.131)

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 0 5 10 15 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Step Response Time (sec) A m p lit u d e Hỡnh 2-30. Đỏp ứng của Thiết kế hệ thống

Để tối ưu húa cỏc phản ứng hơn nữa, cỏc PID hàm truyền điều khiển được

thiết kế trong miền ảnh Z là: ( ) 1 1 1 2 2 1 c qo q Z q Z G z Z        (2.132)

Hỡnh 2-31. Tối ưu hoỏ đỏp ứng hệ thống.

Hiệu quả của nghiờn cứu hệ thống điều tốc, kiểm soỏt được cỏc phản ứng với đỏp ứng nhanh hơn và duy trỡ ổn định ở thời gian 2,4 đến 3 giõy.

2.8.5. Khảo sỏt sự ổn định hệ thống

Hệ thống ổn định ở trạng thỏi hở sẽ ổn định ở trạng thỏi kớn nếu biểu đồ Nyquist khụng bao điểm (-1+i0) trờn mặt phẳng phức.

Hệ thống khụng ổn định ở trạng thỏi hở, sẽ ổn định ở trạng thỏi kớn nếu biểu đồ Nyquist bao điểm (-1+i0)p lần ngược chiều kim đồng hồ (p là số cực GH nằm ở phải mặt phẳng phức).

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 dB -20 dB -10 dB -6 dB -4 dB -2 dB 20 dB 10 dB 6 dB 4 dB 2 dB Bieu do Ntyquist Real Axis Im a g in a ry A x is Hỡnh 2-32. Biểu đồ Nyquist

Hàm truyền vũng hở 2 cực nằm bờn trỏi mặt phẳng. Biểu đồ Nyquist khụng bao điểm A (-1+j0). Điểm –1 ký hiệu () nằm trờn trục thực õm (Real Axis) , điểm 0 nằm trờn trục ảo (Imaginary Axis). Kết luận: Hệ thống ổn định.

Dựng lệnh margin để tỡm biờn dự trữ và pha dự trữ, kết quả hỡnh 2-33

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 M a g n itu d e ( d B ) 10-1 100 101 102 -180 -135 -90 -45 0 P h a s e ( d e g ) Bode Diagram

Gm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = 51.9 deg (at 2.5 rad/sec)

Frequency (rad/sec)

Hỡnh 2-33. Biờn dự trữ và pha dự trữ

Độ dự trữ biờn (Gm = ). Độ dự trữ pha (Pm = 51,9), tại tần số cắt biờn là 2,5 rad/sec. Kết luận: Hệ thống ổn định.

2.9. Kết luận chương 2

Chương 2 đó phõn tớch và trỡnh bày hệ thống điều chỉnh tốc độ turbine thuỷ điện trờn cơ sở kiểm soỏt tốc độ với một tiờu chớ tối ưu húa. Đó thiết lập được một quỏ trỡnh điều khiển chuyển động phi tuyến hiệu suất cao với bộ điều tốc thực hiện

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

theo hệ điều khiển mờ theo luật PID. Thiết bị điều tốc là một bộ phận khụng thể thiếu trong bất kỳ nhà mỏy thuỷ điện nào, nú chớnh là bộ nóo điều khiển toàn bộ hoạt động của nhà mỏy thủy điện, cú nhiệm vụ đo lường, điều khiển và bảo vệ tổ mỏy vận hành an toàn và cú chức năng điều tần, đảm bảo ổn định tần số của dũng điện phỏt ra và tham gia phõn phối tải trong hệ thống. Đưa tổ mỏy từ chế độ độc lập chuyển sang hũa điện vào lưới. Đồng thời điều khiển mức nước để tổ mỏy luụn hoạt động trong vựng hiệu suất cao nhất và bảo vệ tổ mỏy trong cỏc trường hợp sự cố. Để bảo chất lượng điện năng (A = P.t = U.I.cosφ.t) thỡ hệ thống cũn phải đảm bảo ổn định điện ỏp thụng qua hệ tự động điều khiển kớch từ của mỏy phỏt điện [7]- [9]. Mụ hỡnh hệ điều tốc tham gia vào quỏ trỡnh vận hành trong hệ thống nhà mỏy thuỷ điện được mụ phỏng ở chương 4.

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chương 3

ĐIỀU TỐC TRONG HỆ THỐNG TURBINE – MÁY PHÁT 3.1. Cấu trỳc turbine – mỏy phỏt trong nhà mỏy thuỷ điện

Nhà mỏy thuỷ điện sử dụng động cơ sơ cấp là turbine với trong hệ thống tự động hoỏ, tự động kiểm tra và điều khiển từ xa để duy trỡ ổn định tần số ở mức cho phộp. Mỏy phỏt điện đồng bộ được ghộp nối cơ khớ với trục cơ của turbine, đặc tớnh làm việc chung của hệ thống bao gồm đặc tớnh của turbine và mỏy phỏt (generater). Do vậy quỏ trỡnh điện cơ ảnh hưởng trực tiếp đến quỏ trỡnh điện từ và ngược lại. Sự ảnh hưởng này cú ý nghĩa rất lớn đến quỏ trỡnh làm việc, khai thỏc của hệ thống, đặc biệt là chất lượng của lưới điện.

Để giữ tần số khụng đổi cỏc turbine lai mỏy phỏt điện được trang bị bộ điều chỉnh tốc độ (điều tốc). Cỏc bộ điều tốc này về nguyờn tắc luụn giữ ổn định tốc độ động cơ dự momen cản trờn trục động cơ (do phụ tải của mỏy phỏt tạo nờn) cú thay đổi trong phạm vi lớn. Mục đớch này trong thực tế với tải tĩnh hệ thống cú thể đỏp ứng với tốc độ động cơ (tần số) khụng đổi. Trong cỏc chế độ động, việc ổn định tốc độ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố phụ tải, lưu lượng, ỏp suất… và đú là một trong những vấn đề cần giải quyết trong thực tế. Hỡnh 3-1 trỡnh bày mụ hỡnh hệ thống turbine trong nhà mỏy thuỷ điện xõy dựng theo quan điểm hệ đa biến.

Tuabine Generator (P) W2 (P) Wu Wc(P) (P) W1 d U Wd W U M I t RI R - -

Hỡnh 3-1. Mụ hỡnh hệ thống tua bin trong nhà mỏy thuỷ điện.

Từ sơ đồ 3-1 ta thấy được cỏc mối quan hệ giữa điện cơ lờn điện từ và ngược lại là những mối quan hệ phức tạp, mang tớnh mạng và cỏc quan hệ nhõn quả. Khi nghiờn cứu phương trỡnh toỏn với những điều kiện ban đầu, thụng qua quỏ trỡnh khai thỏc trờn cơ sở cỏc kết quả đo đạc thực tế nhận thấy Hệ sẽ mang tớnh phi tuyến. Trước hết khi nghiờn cứu quỏ trỡnh điện từ tỏc động lờn quỏ trỡnh điện cơ ta

Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

thấy với mỗi một vựng tải (tải từ phớa điện) sai số tốc độ khỏc nhau thỡ sai số tại vựng tải nhỏ là nhỏ nhất (với điều tốc dải rộng), vựng tải nằm trong mức 85 - 95% tải định mức là tương đối nhỏ, vựng tải định mức lớn hơn vựng tải Nmax sai số tốc độ lớn nhất. Như vậy, cỏc quan hệ điện từ lờn điện cơ hoàn toàn khụng tuyến tớnh.

3.2. Kết cấu mỏy phỏt điện đồng bộ 3 pha 3.2.1. Mỏy phỏt điện đồng bộ cực lồi