e. Thiết kế bộ đặt điện áp (Setpoin)
4.1.1.Mục đích của mô phỏng
Sau khi thiết kế lý thuyết về mô hình bộ điều chỉnh tự động điện áp AVR cần phải kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế trước khi đưa vào áp dụng thực tế. Việc xây dựng mô hình mô phỏng được xây dựng lên để làm nhiệm vụ trên. Thông qua mô hình ta có thể giả lập được các trường hợp có thể xảy ra trong thực tế từ đó có thể thay đổi và hiệu chỉnh các tham số khi chưa có đối tượng thật. Khi mô phỏng đã được kết quả mong muốn ta có thể thực hiện chuyển sang đối tượng thật. Việc xây dựng môhình được thực hiện trên công cụ Matlab Simulink một công cụ mô phỏng rất mạnh hiện nay.
Matlab là phần mềm phục vụ thiết kế mô phỏng quen thuộc đối với kỹ sư điều khiển tự động hoá. Phần mềm cung cấp môi trường cần thiết cho mô phỏng hệ thống bao gồm tập hợp các công cụ tính toán, đồ hoạ 2D, 3D. Đây cũng là phần mềm có thể lập trình được, đặc điểm này làm cho môi truờng Matlab ngày càng trở lên phong phú.
Smulink là phần mềm hoạt động trong môi trường Matlab, chuyên dùng cho việc mô hình hoá, mô phỏng và phân tích hệ thống. Có thể sử dụng công cụ này cho việc mô phỏng tuyến tính, phi tuyến trong miền liên tục hay gián đoạn.
Smulink là một toolboox làm việc tương thích với môi trường simulink trong matlab.toolboox này cung cấp cho người sử dụng thư viện về điện tử công suất và hệ truyền động rất phong phú, dễ dàng mô hình vật lý đối tượng sau đó áp dụng thuật toán đã được xây dựng để điều khiển mô hình này. Điều này cho phép việc mô hình hoá gần với thực tế. Điều khiển kích từ máy phát thuỷ điện nhỏ được mô phỏng bằng phần mềm matlab/ simulink
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Để mô phỏng quá trình điều khiển tần số của máy phát đồng bộ phải dựa
vào mô hình toán của máy phát đồng bộ, mô hình toán của hệ thống điều tốc (và tự động điều chỉnh điện áp, mô hình toán hệ thống điều khiển kích từ) với hệ thống ổn định tốc độ. Chương trình mô phỏng hệ thống điều tốc trong hệ thống tua bin- máy phát là phương pháp đưa ra được các đáp ứng tốt, chính xác vấn điều tốc ổn định tần số theo yêu cầu và đảm bảo chất lượng hệ thống thống điện khi các máy phát điện trong nhà máy thuỷ điện luôn khởi động, mang tải và dừng tự động theo yêu cầu của tải với trình độ tự động hoá hiện nay.
Tiến hành mô phỏng theo 2 mô hình: - Mô hình máy phát với phụ tải độc lập
- Mô hình máy phát hòa đồng bộ với lưới điện
4.1.2. Các tham số của máy phát *Tham số máy phát
Công suất định mức Pđm: 200 MVA
Điện áp định mức Uđm : 13800V
Dòng điện stato định mức: 8370A
Tần số định mức fđm : 50Hz
Dòng điện kích từ không tải: 1087A
Điện trở mạch stato (P.u) : 0,00285p.u
Các tham số điện kháng dọc trục và ngang trục Xd = 1.305p.u; Xd ’ = 0.296p.u; Xd ’’ = 0.252p.u Xq = 0.474 p.u; Xq’ = 0.243p.u; Xq’’ = 0.18 p.u Các hằng số thời gian trong quá trình quá độ và siêu quá độ
Td = 1.01 s ; Td ’
= 0.053 s ; Tq0 ’’
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
*Tham số kích từ
Hệ số khuyếch đại bộ điều khiển chính KA = 300 Tham só xác lập kiểu điều chỉnh KE = 1.0
Hằng số thời gian bên trong của bộ điều chỉnh TC = 0 Hằng số đặc trưng cho bộ chỉnh lưu Xex 0.2 = Kc Kd = 0.4 TB = 0 TF = 1.0 s KF = 0.03 Vrmax = 7.0 Vrmin = 6.5 Vamax =12.0 Vamin = -12.0 TE =0.8 4.2. Các thành phần của hệ thống mô phỏng
Đây là mô hình mô phỏng hệ điều chỉnh tua bin – máy phát
Synchronous Machine 200MW 100MVAr 1: AVR 0: MVR 1: Q free 0: Set Q
Lay ket qua 4s-10s
1 0.35 1 1.25 1 1 Continuous -K- Volts > pu Vf Vf v + - Va Ua Ua Vabc a b c U Sensor
Time dong tai5 Time dong tai4 A
B C a b c Three-phase Transformer 210 MVA 13.8 kV / 230 kV Pm Vf _ m A B C Synchronous Machine 200 MVA 13.8 kV 0.74 PQ_real PQ real (pu)1 wref Pref Sense Pm P-F Controller1
DISPLAY FOR PARAMETTERS
Measurement Display A B C Iabc Iabc (pu) Iabc A B C a b c I sensor Sensor1 Auto/Man1 Uset If set Q set Set Q Out D-AVR Exciter Ex Circuit Breaker com A B C a b c Breaker4 c om A B C a b c Breaker2 A B C 5 MW, 2 MVAr Auxilary A B C 10,000 MVA, 230 kV source del(p.u) Vabc Iabc Vf Vf
<Field current if d (pu)> <Rotor speed wm (pu)>
<Electromagnetic torque Te (pu)> <Load angle delta (deg)>
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
*Hệ thống điều khiển máy phát
Hình 4.2: Mô hình hệ thống điều khiển máy phát Trong mô hình này bao gồm các khối chính:
- Mô hình máy phát
Đây là mô hình máy phát trong hệ đơn vị tương đối (P.u) đây là mô hình chuẩn hóa có sẵn trong Matlab Simulink các tham số được nêu ở mục (4.1.2)
- Mô hình bộ điều tốc tuabin
Đây là mô hình có sẵn trong Matlab Simulink. Trong đó bộ điều khiển chính là một bộ PID với tham số đặt đầu vào là công suất tác dụng và tốc độ quay của tuabin. Tín hiệu ra là công suất cơ để làm quay roto của máy phát điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.3: Mô hình bộ điều chỉnh kích từ
Đây là mô hình chính được thiết kế trong đồ án này.Cấu trúc của bộ AVR đựơc trình bày ở phần trên. Trong phần mô phỏng này chỉ tiến hành kiểm tra và hiệu chỉnh các tham số của bộ AVR.
- Mô hình bộ đo lường các tham số (Measure):
Đây là mô hình dùng để đo lường các giá trị dòng điện điện áp của mạch Stator, Dòng điện kích từ và tốc độ quay của Rotor (tương ứng với tần số). Các tham số đo được sẽ được chuyển từ hệ SI sang hệ đơn vị tương đối và được cung cấp cho bộ điều tốc, kích từ để xử lý và tính toán phục vụ cho quá trình điều khiển.
- Mô hình tải
Mô hình tải được sử dụng trong quá trình mô phỏng được lấy trong thư viện SimPower của Matlab Simulink bao gồm các thành phần chính sau: + Máy biến áp 3 pha (13,8/230 kV)
+ Các phụ tải bao gồm các thành phần R,L,C + Mô hình đường dây dài
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Các máy cắt để điều khiển quá trình đóng cắt tải, tuy nhiên mô hình phụ tải trong các trường hợp khác nhau sẽ khác nhau mỗi mô hình sẽ được dùng vào các mục đích khác nhau và được trình bày chi tiết ở trong các trường hợp cụ thể.
- Khối hiển thị tham số
Khối hiển thị tham số là khối tổng hợp các tín hiệu đo sau đó dùng các Scope để hiển thị và xuất dữ liệu ra dưới dạng các ma trận để phục vụ cho quá trình xử lý số liệu và in các kết quả mô phỏng.Trong quá trình mô phỏng ta có thể xem xét các đặc tính trực tiếp thông qua các Scope trong khổi hiển thị này.
4.3. Kết quả mô phỏng hệ thống
4.3.1. Mô phỏng máy phát làm việc với phụ tải độc lập
Mục đích của việc mô phỏng là kiểm tra khả năng đáp ứng của bộ AVR kiểm tra hoạt động của các khối bảo vệ UEL, OEL khi có các sự cố xảy ra và kiểm tra hoạt động của bộ AVR khi tăng tải từ 0 đến giá trị định mức.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Out 0 w w1 w w Q P UEL
Under Exci tati on Li mi t
U U2 U U1 U/F l i mi t U/FLi mi t U U Swi tch1 Swi tch Soft Start Ramp Q Q2 Q Q1 Q Q PI PI control l er U PI PI control l er Q PI PI control l er If P P1 P P IT IF OEL
Over Exci tati on Li mi t MVR MVR LV gate Low Val ue Gate If If4 If If3 If If1 If If IT IT 1 IT IT HV gate Hi gh Val ue Gate Force Li mi t wr ia ib Vab Vbc If d w If Peo Qeo I U
Esti mati on1 -1
Edge i nverse
1 0.004s+1 Dri ver & Recti fi er T ransfer Functi on MVR AVR3 AVR AVR2 AVR AVR1 EN SET FB Out AVR FOLLOW UP1 EN SET FB Out AVR FOLLOW UP AVR AVR 6 Set Q 5 Q set 4 If set 3 Uset 2 Auto/Man1 1 Sensor1
<Field current if d (pu)> <Vbc> <Vab> <Ib> <Ia> <Rotor speed wm (pu)>
Hình 4.5. Khối điều chỉnh kích từ
* Đặc tính hệ kích từ máy phát với tải biến thiên
Qua quá trình lấy kết quả khảo sát tại thời điểm biến thiên lúc không tải và khi có tải ta thấy:
- Tại thời điểm: P = 0,02 MW dùng thử nghiệm chạy không tải - Tại thời điểm: t = 4s tải là 50MW/ 25 MVAR
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4-7 . Dòng điện stato máy phát (pu)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4- 9 . Dòng điện kích từ máy phát (pu)
Hình 4- 10 . Điện áp kích từ máy phát (pu)
Qua kết quả mô phỏng ta nhận thấy khi khởi động để tăng điện áp máy phát lên, thì ta phải tăng điện áp kích từ lên đến giá trị điện áp kích từ lớn nhất, khi đó dòng điện kích từ và điện áp của máy phát cũng tăng lên từ 0 đến giá trị định mức. Quá trình tăng điện áp kéo dài trong khoảng thời gian 1,5s.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sau khoảng thời gian này khi điện áp của máy phát đã đạt đến giá trị định mức, thì điện áp kích từ giảm xuống trở về giá trị điện áp kích từ không tải. Đáp ứng ổn định sau thời gian 0,35s để duy trì ổn định mô men (tần số) trục máy phát.
4.3.2.Mô phỏng khi máy phát hoà vào lưới điện hệ thống
Để tiến hành mô phỏng quá trình chuyển chế độ hoạt động ta cho máy phát hoà đồng bộ với lưới theo phương pháp tự hoà đồng bộ trong chế độ hoạt động AVR rồi tiến hành đóng phụ tải vào lưới điện đạt đến mức độ làm việc ổn định. Quan sát ta thu được điện áp đầu cực máy phát và dòng điện kích từ.
4.3.2.1.Mô hình mô phỏng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.12 : Khối điều chỉnh kích từ AVR 4.3.2.2.Đáp ứng của hệ thống khi hoà lưới
Qua quá trình lấy kết quả khảo sát tại thời điểm máy phát hoà đồng bộ với lưới trong các trường hợp:
- Máy phát hòa đồng bộ không có PSS
- Máy phát hòa đồng bộ khi có PSS với đầu vào - Máy phát hòa đồng bộ khi có PSS với đầu vào P
Tại thời điểm đóng tải: t = 10s tải là 200MW/ 100MVAR
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.13: Hệ thống ổn định điện áp PSS
Hình 4.14 : Hệ thống ổn định điện áp (PSS) với đầu vào P
1 s f M T s P Pm 21 43 (1 ) 1 1 1 K sT sT sT sT Vs 1 1sTp Pe PSS output Speed Washout filter P
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.15: Công suất P,Q(p,u) khi không có PSS
Hình 4.16: Công suất P,Q(p,u) khi có PSS với đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.18: Dòng điện kích từ máy phát ko có PSS
Hình 4.19: Dòng điện kích từ máy phát khi có PSS với đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.21: Điện áp kích từ máy phát ko có PSS
Hình 4.22: Điện áp kích từ máy phát có PSS với đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.24: Góc tải I(p,u) ko có PSS
Hình 4.25: Góc tải I(p,u) có PSS với đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.27: Điện áp UPSS không có PSS
Hình 4.28: Điện áp UPSS có PSS với đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.30: Dòng điện stato máy phát (pu)khi không có PSS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.32: Tốc độ máy phát/tần số (pu)khi không có PSS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.34 : Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi có PSS đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.36: Dòng điện stato máy phát (pu) khi có PSS với đầu vào P
Hình 4.37 : Điện áp đầu cực máy phát (pu)khi có PSS với đầu vào P
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Xét trường hợp phụ tải cảm và trở kháng ở thời điểm 10s khi đóng phụ tải (200MW-100MVar). Khi đóng tải thì điện áp của máy phát giảm xuống còn 0,972 P.u. Khi đó để nâng điện áp lên đến giá trị định mức thì ta cần phải tăng điện áp kích từ lên. Khi đó dòng điện kích từ cũng được tăng lên để tương ứng với phụ tải.
Để tiến hành mô phỏng quá trình chuyển chế độ họat động ta cho máy phát hòa đồng bộ với lưới theo phương pháp tự hòa đồng bộ trong chế độ hoạt động AVR rồi tiến hành đóng phụ tải vào lưới điện khi đã đạt đến trạng thái làm việc ổn định ta chuyển sang chế độ MVR ở thời điểm 10s.
Quá trình mô phỏng này được tiến hành thông qua các bước: Đầu tiên cho máy phát tự hòa đồng bộ với lưới, sau đó tiến hành tăng tải tại thời điểm 10s. Khi đó góc tải được điều chỉnh gần như không đổi ở góc 20deg, Mô men điện từ được điều chỉnh từ 0,778 pu lên 0,825pu.
4.4. Kết luận chương 4
Như vậy sau khi đã thiết kế xong chương III. Để kiểm chứng tính đúng đắn
của thiết kế trong chương 4 này ta đã tiến hành mô phỏng hệ thống bằng cách ghép nối bộ điều chỉnh tự động AVR với máy phát. Tiến hành mô phỏng để kiểm tra hoạt động của các khối chức năng cơ bản, cụ thể mô phỏng với phụ tải độc lập để kiểm tra tính ổn định hệ thống. Các mô phỏng làm việc với lưới công suất vô cùng lớn để xem xét sự ảnh hưởng của các phụ tải, kiểm tra hoạt động của khối điều chỉnh công suất phản kháng để phân phối phụ tải phản kháng giữa các tổ máy, tiến hành sự thay đổi điện áp đặt để điều chỉnh điện áp