Ảnh hưởng của tớn hiệu điều tốc trong hệ thống điện 58

2.7.1. Đặc tớnh tĩnh

Thay đổi tần số (hay tốc độ quay) sẽ làm thay đổi mụ men quay M=P. của phụ tải. Quan hệ này được biểu diễn bằng đường cong P1 trờn hỡnh 2-16 đặc trưng cho đặc tớnh tĩnh của phụ tải.

Tần số của hệ thống điện được xỏc định tại điểm cắt O1 của đặc tớnh T1(turbine) và đặc tớnh P1(phụ tải) ở đú mụ men kộo của turbine cõn bằng với mụ men cản của phụ tải M1

Hỡnh 2-16. Đường đặc tớnh tĩnh turbine (T1,T2,T3) và phụ tải (P1, P2, P3).

Khi số lượng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tớnh tĩnh của phụ tải P1 sẽ bị dịch chuyển. Chẳng hạn khi đấu thờm phụ tải, đặc tớnh này sẽ bị dịch chuyển sang bờn phải P và sẽ cắt đặc tớnh turbine T1 tại điểm O3, tương ứng với tần số F3. Khi cắt bớt phụ tải, đặc tớnh P1 sẽ bị dịch chuyển sang trỏi P3 và sẽ cắt đặc tớnh T1 của turbine tại O2, tương ứng với tần số F2. Như vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi:

2 3

f f f

   (2.104)

Để đảm chất lượng điện năng khụng cho phộp tần số của hệ thống thay đổi nhiều. Nờn khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay đổi đặc tớnh tĩnh của turbine. Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tớnh tĩnh của turbine sang phải T2. Khi ấy điểm cắt nhau giữa đặc tớnh turbine T2 và phụ tải P2 tại O4 tương ứng với tần số F4 > F3. Tương tự khi phụ tải giảm ta phải dịch chuyển đặc tớnh turbine sang trỏi T3 và điểm cắt nhau giữa đặc tớnh T3 và P3 tại O5

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

tương ứng với tần số F5 < F2. Nhờ sự dịch chuyển đặc tớnh turbine mà độ lệch tần số '

5 4

 f f  f <  f f2 f3

Tập hợp cỏc điểm O5 , O1 , O4 hỡnh thành đặc tớnh điều chỉnh của turbine

f(M) hoặc f(P).

Đặc tớnh điều chỉnh của turbine được đặc trưng bằng hệ số phụ thuộc tương đối (cũn được gọi là hệ số tĩnh)

* * *        dd dd f f f S P P P (2.105)

Thụng thường S* của đặc tớnh điều chỉnh turbine trong hệ thống điện nằm trong giới hạn S* =0,020,06. Trị số càng bộ càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe,

nghĩa là với một mức biến đổi cụng suất như nhau thỡ mức biến đổi của tần số trong hệ thống cú *

S bộ hơn sẽ ớt biến đổi hơn.

Điều chỉnh tần số (hay số vũng quay) của turbine được thực hiện bằng cỏch thay đổi năng lượng vào turbine, nú liờn quan trực tiếp tới tiờu hao năng lượng, nhiờn liệu và là một bài toỏn tối ưu húa phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố như đặc tớnh tiờu hao nhiờn liệu của tổ mỏy, chi phớ vận hành của nhà mỏy điện, tổn thất cụng suất trờn lưới khi thay đổi phương thức huy động cụng suất của cả nhà mỏy điện .

2.7.2. Đặc tớnh điều chỉnh mở van Turbine

Xột đặc tớnh điều chỉnh n= f(P) khi h = const và α = const. (α là gúc mở van). Khi đú đặc tớnh điều chỉnh là một đường dốc hỡnh 2-17:

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

Trờn đồ thị ta cú chế độ làm việc bỡnh thường thỡ với tải định mức P1 thỡ Turbine quay với vận tốc định mức n1 (tương ứng với tần số f1), vận tốc khụng tải n0 và gúc mở van định mức a1.

Khi tải tăng đến giỏ trị P2 sẽ làm cho vận tốc bị giảm xuống n2. Để ổn định tốc độ khi tăng tải thỡ ta phải điều chỉnh gúc mở van tới gúc mở α2. Như vậy khi tải thay đổi cỏc giỏ trị P1,P2, P3, P4, P5 thỡ phải đảm bảo tần số thỡ gúc mở van sẽ phải thay đổi ứng với giỏ trị α1, α2, α3, α4, α5. Ta cú họ cỏc đặc tớnh hỡnh 2-18.

Hỡnh 2-18. Họ cỏc đặc tớnh khi ∝ thay đổi.

Trờn đồ thị đặc tớnh điều chỉnh biểu diễn mối quan hệ n = f(P), (Cột ỏp h = const). Thực tế ta thấy đường thẳng n = f(P) là một đường dốc, bởi nếu là đường nằm ngang (với bộ điều tốc phản hồi mềm) thỡ nú là đặc tớnh vụ hướng khụng phụ thuộc vào tải, như vậy bộ điều tốc khụng thể làm nhiệm vụ phõn bố phụ tải cho cỏc tổ mỏy làm việc song song. Tần số làm việc định mức là nđm. Chế độ tải định mức Pđm khi đú Turbine sẽ quay với tốc độ định mức (nđm) và khi đú hướng cỏnh quạt mở ở αđm (hỡnh 2-18). Khi phụ tải thay đổi ứng với giỏ trị P1, P2, P3, P4, Pmax thỡ khi đú tốc độ của Turbine sẽ thay đổi theo đường đặc tớnh. Như vậy đảm bảo cho tốc độ quay của Turbine khụng đổi thỡ phải tỏc động mở van ứng với gúc mở α1, α2, α3, α4, αmax (αmax là gúc mở lớn nhất ứng với phụ tải tăng lớn nhất). Như vậy từ sự thay đổi của phụ tải ta đó xỏc định được độ mở của van để đảm bảo n = const, h = const.

Từ đú ta xỏc định được đường đặc tớnh cụng tỏc biểu diễn α = f(P). Ta cú đồ thị đặc tớnh là quỹ tớch của cỏc điểm ( α1, P1); (α2, P2); (α3, P3); (α4, P4); (α5; P5).Từ đú ta xõy dựng được đồ thị đặc tớnh điều chỉnh α = f(P) với n = const, h = const hỡnh 2-19.

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

Hỡnh 2-19. Đặc tớnh điều chỉnh turbine mỏy phỏt.

Từ đồ thị ta nhận thấy P = 0 thỡ độ mở g vẫn khỏc 0. Bởi vỡ cần phải cú một lưu lượng khụng tải Qot ứng với độ mở van nhỏ nhất αmin thỡ mới khắc phục tổn thất trong Turbine mà chưa phỏt ra cụng suất cú ớch. Từ đồ thị ta thấy α = f(P) là một hàm phi tuyến.

2.7.3. Ảnh hưởng của ngưỡng khụng nhậy

Cỏc mỏy điều tốc thực tế đều cú một ngưỡng khụng nhạy, nhất định chủ yếu do ma sỏt ở cỏc ổ trục và của bản thõn cỏc bộ phận trong cơ cấu điều chỉnh. Vỡ vậy ở trạng thỏi cõn bằng ban đầu tương ứng với một tốc độ quay nào đú, muốn cho mỏy điều tốc phản ứng được với độ lệch tốc độ  thỡ phải vượt quỏ một ngưỡng nhất định, gọi là ngưỡng khụng nhậy của mỏy điều tốc hỡnh 2-10.

Đặc tớnh điều chỉnh với ngưỡng khụng nhạy trỡnh bày theo hỡnh vẽ dưới dạng một miền khụng nhậy. Khi cú ngưỡng khụng nhậy, việc phõn bố cụng suất giữa cỏc tổ mỏy sẽ tồn tại một khoảng khụng xỏc định P.

   Pdd fKn

P

S (2.106)

Trong đú: Pdd : Cụng suất danh định của tổ mỏy (MW);

fkn : Ngưỡng khụng nhậy theo tần số (%);

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

Hỡnh 2-20. Ngưỡng khụng nhậy của mỏy điều tốc

Vựng bất định P P,  của phụ tải tổ mỏy do ngưỡng khụng nhậy của mỏy điều tốc. Chẳng hạn, khi s = 5%, fkn = 0.25%, vớ dụ đối với tổ mỏy cú cụng suất

300 W  dd P M mức bất định của phụ tải sẽ bằng: 300.0.25 15 5  P  MW

Ngưỡng khụng nhậy của đặc tớnh điều chỉnh làm cho một số tổ mỏy khụng tham gia vào điều chỉnh tần số.

Để nõng cao chất lượng điều chỉnh tần số cần giảm hệ số phụ thuộc (S) của đặc tớnh điều chỉnh, tuy nhiờn khi hệ số phụ thuộc giảm, mức bất định của phụ tải tăng lờn. Vỡ vậy đối với cỏc mỏy điều tốc cú ngưỡng khụng nhậy cao, bắt buộc phải đặt hệ số phụ thuộc cao.

Khi cú nhiều tổ mỏy làm việc song song, chế độ cõn bằng của từng tổ mỏy sẽ được thiết lập một cỏch khỏc nhau trong giới hạn của ngưỡng khụng nhậy. Trong số cỏc tổ mỏy này sẽ cú một số tổ mỏy phản ứng với độ lệch tần số, cú nghĩa là nhỡn chung toàn hệ thống sẽ khụng cú ngưỡng khụng nhậy.

Tuy nhiờn khi độ lệch tần số khụng vượt quỏ ngưỡng khụng nhậy của một số tổ mỏy, chỳng sẽ khụng phản ứng và khụng tham gia vào quỏ trỡnh điều chỉnh tần số, vỡ thế độ phụ thuộc đẳng trị của đặc tớnh điều chỉnh sẽ lớn hơn trị số tớnh được theo biểu thức tớnh cụng suất thay đổi của tổ mỏy thứ j là

1 1 j n j i j P P S S      (2.107).

Thực tế điều này cú nghĩa là cần phải đưa thờm một số hệ số hiệu chỉnh a >1 để tớnh đến ngưỡng khụng nhậy của đặc tớnh điều chỉnh của một tổ mỏy trong hệ thống :

1 .      dd n jdd j j a P S P S (2.108)

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

Thường thỡ trong chế độ sự cố độ lệch tần số vượt quỏ ngưỡng khụng nhậy của tất cả cỏc tổ mỏy trong hệ thống, cũn trong chế độ làm việc bỡnh thường, f bộ nờn chỉ cú một số tổ mỏy cú ngưỡng khụng nhậy hẹp mới cú thể phản ứng. Số lượng tổ mỏy cú thể phản ứng theo độ lệch f đó cho cú thể được xỏc định theo

biểu thức: . Kn f m n f    (2.109)

(Trong đú: n là số lượng cỏc tổ mỏy được giao nhiệm vụ điều chỉnh tần số của hệ thống).

2.8. Thiết lập mụ hỡnh nõng cao chất lượng điều tốc turbine 2.8.1. Mụ hỡnh hệ thống 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